Схема зарядного устройства на одной ячейке LiFePo4 с питанием от солнечной батареи

РЕДАКТИРОВАТЬ: TL;DR:

• Используйте LDO с большим количеством L'er DO
• Используйте контроллер MPPT или изучите (если это еще не сделано) то, что будет делать ваш понижающий регулятор, когда солнечная энергия остановится.
• Добавьте термодатчик
• Вы не должны, но если хотите, вы можете использовать транзистор NPN для управления выходным напряжением.

КОНЕЦ РЕДАКТИРОВАНИЯ / КОНЕЦ TL;DR

Регулятор 3В

Позвольте мне начать с упоминания регулятора Low Drop, который вы выбрали для 3V. Это не идеальный выбор.

Если вы посмотрите на титульную страницу таблицы данных, вы уже увидите «Низкое падение напряжения: 300 мВ». Если вам нужен стабильный выход 3,0 В при номинальном токе, это означает, что ваша батарея должна оставаться на уровне 3,3 В или выше, что при нагрузке составляет не более 40% от верхнего предела LiFePO4, возможно, меньше.

Если вы затем посмотрите на график на той же странице, вы увидите, что для диапазона 100 мА у вас все еще есть 200 мВ, поэтому я думаю, что вы могли бы добиться большего. Имейте также в виду, что это будет означать, что когда ваш модуль TX включается с 100 мА при уровне заряда батареи 3,2 В, выход 3,0 В может не достичь своих уровней регулирования нагрузки, поскольку это скачок вверх от «легкого регулирования». от падения 100 мВ» при токе 1 мА uC до «регулирования на самом краю характеристик падения 200 мВ» при токе 100 мА TX.

Лучшим выбором будет что-то, где часть кривой от 1 мА до 100 мА всегда соответствует, давайте будем амбициозными, по крайней мере, 70% кривой батареи LiFePO4.

Есть два способа сделать это:

1. Работайте при несколько более низком напряжении с немного более подходящим регулятором
2. Работа на 3 В, но с значительно более подходящим регулятором

Однако вам повезло, потому что, только запустив Mouser, я нашел три возможных решения, одно из которых представляет собой своего рода гибрид между 1 и 2, что также может быть интересным. Сегодня я выбрал Mouser по причинам. Их можно найти во многих местах, так как это основные бренды.

1. Чуть более низкое напряжение:

В эту же рубрику попадает гибрид (потому что сразу не нашел на 3.0В, а они должны быть).

Этот TLV70228 от TI отвечает всем требованиям. Он имеет выход 2,8 В, почти ничего не стоит и имеет падение напряжения 260 мВ, обычно при 300 мА, максимум 380 мВ. Конечно, мы также должны обратить внимание на статические потери в смысле тока покоя. Для этого обычно это 35 мкА, что довольно близко к вашему первоначальному выбору.

На рисунке 5 на странице 6 таблицы данных вы можете видеть, что отсев от 1 мА до 100 мА настолько низок, что вы даже можете обойтись 3,0 В с этим, возможно, также поставив этот тип на край варианта 2.

Гибридное решение, о котором я думаю, заключается в использовании двойного регулятора, который можно получить вполне доступным в одном маленьком корпусе. Как и другой продукт TI, TLV7101828 , который имеет один выход 1,8 В и один выход 2,8 В, а также такие же низкие значения падения напряжения и аналогичные токи покоя на канал.

Вы можете питать MCU с более низким напряжением (2,8 В, 2,5 В, 1,8 В) и позволить ему использовать весь диапазон батареи, пока защитный чип не отключит его, а затем запустить модуль TX для лучшего питания при более высоком напряжении. (3,0 В, 2,8 В).

Когда не идет передача, вы можете отключить второй регулятор с помощью его штифта включения. Вам может понадобиться немного лучший N-MOSFET для ситуации с 1,8 В, но они легко существуют по разумным ценам, если вам нужны только миллиамперы (в конце концов, большая часть мира теперь работает на 1,8 В, поэтому они производятся массово).

Отключение питания передатчика переведет этот регулятор в режим <0,1 мкА, а также гарантирует, что модуль передатчика ничего не утечет странным образом или по какой-то причине не будет мигать каждую секунду. Редко, но со мной такое было раз или два. Вы должны учитывать преобразование уровня сигнала данных, и вы вполне можете решить, что это заходит слишком далеко, но я чувствую себя упущенным, если вообще не упомяну эту опцию.

2. Использование лучшего стабилизатора на 3,0 В

Это просто: вам нужно 3,0 В, поэтому вы получите 3,0 В, поэтому вариант 1 использовать нельзя. Это хорошо, но тогда есть лучшие альтернативы. Первого лучшего микрочипа, который я нашел, сейчас нет в наличии на Mouser, но я думаю, что он довольно распространен: TC2117-30 .

В таблице на странице 2 его описания у них есть очень хорошие цифры, и это красиво и мощно, на случай, если вы позже решите, что вам нужно 5 модулей TX ;-). Вы также можете видеть на рисунке 2-5 на странице 4, что для большинства вероятных рабочих температур это должно позволить вам продолжать работать со стабильным питанием до Vbat 3,15 В даже при пиковой нагрузке, как вы описали это ранее. .

Одна вещь, которую следует отметить (и подумать), это немного более высокий ток покоя, обычно равный 80 мкА.

Солнечный бак и MPPT

Для начала, как правило, вы не имеете никакого контроля над MPPT на уже заблокированной стороне вещей. Лучше всего это сделать контроллером с солнечной панелью, чтобы обеспечить максимальный ток.

В любом случае, вы устанавливаете iLim понижающего преобразователя для защиты вашей батареи от зарядки слишком высоким током, поэтому вы не можете получить максимальную мощность, потому что это означает, что вы нарушаете собственное правило о сохранении батарея живая. Если максимальный ток вашей батареи намного больше, чем выходная мощность вашей солнечной панели, но тогда ваш предел тока будет отражать это.

В любом случае, вы используете 4 В для зарядки аккумулятора при ограниченном токе, а затем отпускаете его до 3,5 В, когда он полностью заряжен, чтобы не держать аккумулятор при более высоком напряжении в течение длительного времени. Еще одна вещь, которую вы могли бы рассмотреть, - это блокировка микроконтроллера, которая не позволяет 4 В возвращаться в течение 24 или 48 часов. Чем реже вы применяете более высокое напряжение для быстрой зарядки, тем лучше для вашей батареи. В любом случае ваша система должна быть рассчитана на несколько дней без яркого солнечного света.

Так что для MPPT лучше всего использовать настоящий Solar Harvester, они есть у многих брендов. Также важно следить за поведением контроллера, когда входное напряжение или мощность не соответствуют исходящим требованиям. Многие контроллеры будут разработаны для «у меня есть этот безграничный источник (для сравнения), который должен питать пару ватт при определенном напряжении с ограниченным током», поэтому при покупке имейте в виду, что им нужно указать, что они делают. если Vout > Vin, то можно назвать только одну возможность.

Основные моменты с вашим понижающим преобразователем связаны с внутренним переключателем, на первый взгляд, я считаю, что он имеет довольно большое количество отходов с точки зрения напряжения насыщения и тому подобного. Я был слишком ленив, чтобы прочитать все это, чтобы узнать, что он делает в настройке buck, если напряжение батареи выше, чем напряжение солнечной батареи. Некоторые типы затем разряжают аккумулятор без причины.

Вот несколько предложений для солнечных чипов MPPT:

• LT3652 - также предназначен для зарядки аккумулятора и упоминает в примере LiFePO4.
• LTC4121 — одноэлементное зарядное устройство с регулируемым плавающим напряжением (хотя, скорее всего, это будет плато напряжения, когда они заряжаются до этой точки, поэтому я боюсь, что здесь нет принудительной быстрой зарядки от перенапряжения)

Для более низких солнечных напряжений у ST был бы SPV1040, который мне нравится в небольших/портативных одноэлементных решениях.

Более точное управление выводом FB с помощью микроконтроллера

Конечно, хотя сейчас это относительно бессмысленно, я не могу остановить вас от размышлений о более точном управлении выводом обратной связи. Поскольку я не могу вас остановить, я мог бы также предложить что-то, чтобы добиться этого. Погружаюсь со схемой:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Вы уже в значительной степени поняли это, но хорошо бы снова посетить (также, так сказать, для потомков). Если вывод обратной связи чипа X требует 1 В через резистивный делитель, а регулятор хочет, чтобы это произошло через внутреннюю обратную связь (что, вероятно, в 100% случаев с выводом обратной связи). Затем, если вы поместите простое число, например 100k, на этот 1 В, зная, что контакт обратной связи сам по себе не потребляет заметного тока, выход может быть сделан 3 В или 4 В, понимая, что ток через R2 такой же, как через R1. Таким образом, в ситуации A резистор R1 на 200 кОм «добавит» 2 В к напряжению обратной связи, что в сумме составит 3 В. В ситуации B R1 на 300 кОм «добавит» 3 В к напряжению обратной связи, в результате чего получится 4 В. В ситуации C я решил оставить R1 таким же значением, как и в ситуации A, но поскольку я хочу, чтобы на регулируемом выходе было 4 В, Пришлось менять R2. Теперь на 200кОм должно падать 3В, чтобы он работал с напряжением обратной связи 1В. Это означает, что ток через R1 и R2 равен:I = 3V / 200kOhm = 15μAчтобы затем получить R2, вы вычисляете: R2 = 1V / 15μA =~ 66.7kOhm.

Примечание о номиналах резисторов : некоторые микросхемы имеют небольшую утечку на выводе обратной связи и требуют от 10 кОм до 50 кОм вместо 100 кОм, обратитесь к таблицам данных для получения оптимальных значений. С батареями лучше, потому что, когда регулятор выключается, резисторы будут отводить небольшой ток от батареи. С 100 кОм и батареей 3,6 В это всего 36 мкА, но с 10 кОм это уже 360 мкА, что делает LDO с низким током покоя бессмысленным, а с одним килоомом, который вы тратите впустую на миллиампер, а затем перевод мкК в спящий режим также становится бессмысленным. .

Итак, что на самом деле произошло между ситуацией А и ситуацией С? Это то, что мы хотим знать. Чтобы показать, я просто вычисляю ток через резисторы для ситуации A I = V / R = 2V / 200kOhm = 10μA: Я использовал перенапряжение, значение и ток через R1, потому что это будет интересно. Вы видите, что «тогда» это было 10 мкА, в то время как для 4 В с тем же значением R1 вам нужно было «протянуть 15 мкА».

Здесь становится весело:

^{смоделируйте эту схему}

Для тех, кто так склонен, техническое описание 2N3904 предлагает всевозможные забавные числа.

Первое замечание: R3 по сравнению с R4 огромен, поэтому я не использовал там эмиттерный повторитель, но если бы R3 был намного меньше, я бы добавил эмиттерный повторитель, что, вероятно, привело бы меня к 5 МОм в этом случае.

Я не собираюсь слишком глубоко вдаваться в Beta и Hfe, HFE и все такое (я делал это раньше, где это было бы центральной точкой), но все сводится к тому, что транзистор является токоотводом с регулируемым током. Система обратной связи удерживает напряжение коллектор-эмиттер на уровне 1 В до тех пор, пока мы не ведем себя как полные идиоты. Или, говоря по-другому: наша цель - сохранить контроль в области 1V Vce, иначе мы все равно сломаем другие вещи. Это делает поведение транзистора немного более предсказуемым.

Из таблицы данных я оцениваю усиление тока примерно в 30 раз при токе коллектора 5 мкА. Конечно, это все еще нелинейно с током коллектора, но это можно проверить, отобразить и исправить с помощью таблицы поиска в контроллере. Компоненты просто должны сделать возможным достижение обоих пределов.

Таким образом, чтобы затем превратить транзистор в источник тока, управляемый напряжением, мы добавляем резистор, который позволяет пропускать 5 мкА через коллектор при максимальном управляющем напряжении. Чтобы обеспечить некоторый запас контроля/поиска для компенсации допусков компонентов, я предполагаю, что пиковое управляющее напряжение составляет 2,5 В.

Для 2,5 В резистор будет иметь напряжение на нем: V(R3) = 2.5V - 0.6V = 1.9Vпотому что «желаемое базовое напряжение» транзистора будет около 0,6 В при малых токах (см. Таблицу данных). Базовый ток при максимальном управляющем напряжении должен быть: Ibase = Icollector / 30 = 5μA / 30 =~ 167nA. 167 нА при 1,9 В означает, что требуется резистор: R3 =~ 1.9V / 167nA =~ 11.4MOhm. Которое я округлил до 10 МОм для еще большего допуска.

Чтобы теперь создать управляющее напряжение, вы можете просто использовать PWM от MCU. Если микроконтроллер питается от 2,8 В, ШИМ должен достигать 2,7 В или выше при нагрузке 33 кОм и 47 нФ. Поскольку R4 очень мал по сравнению с R3, базовый ток не вызовет слишком большого смещения. R4 и C1 в основном представляют собой очень простой RC-фильтр, который сглаживает значение ШИМ обратно в диапазон напряжения, близкого к постоянному. Чем выше частота ШИМ, тем плавнее напряжение постоянного тока на C1.

Конечно, вы теряете некоторый диапазон управления на нижнем конце, потому что ниже 0,6 В транзистор уже будет очень близок к отсутствию тока коллектора.

Из этого вы можете видеть, что при близком к нулю значении ШИМ управляющее напряжение также будет близким к нулю, и транзистор будет закрыт, и в этом случае потребление тока R2 10 мкА, определяемое напряжением обратной связи, — это все, что проходит через R1. Затем эти 10 мкА вызывают 2 В на R1, и регулятор выдает 3 В.

Когда у нас есть управляющее напряжение 2,5 В, транзистор будет потреблять дополнительные 5 мкА или около того, и чтобы компенсировать это через R1, регулятору потребуется создать более высокое напряжение, чтобы сохранить обратную связь 1 В, на самом деле, ему нужно будет выход 4 В, чтобы сделать 15 мкА через R1, которые необходимы для поддержания 10 мкА, проходящих через R2. Если бы через R2 проходило менее 10 мкА, напряжение обратной связи падало бы, а регулятор этого не хочет, поэтому он увеличивает выходную мощность.

Конечно, из-за некоторых тепловых эффектов его отклик не будет точным при температуре окружающей среды от -20 до +50, транзистор и резисторы будут работать иначе в этом диапазоне, чем при фиксированных 25 градусах Цельсия.

Последнее примечание: термодатчик

И последнее замечание, я упоминал об этом в прошлый раз или в чате (не помню): вам нужно добавить термодатчик к вашему MCU (или использовать внутренний - будьте осторожны с точностью, возьмите достаточно хороший запас прочности!) чтобы избежать зарядки LiFePO4 ниже точки замерзания. LiFePO4 рад предложить хорошую емкость ниже точки замерзания, особенно плоские батареи, но зарядка ниже точки замерзания является абсолютным запретом, если вы хотите продлить срок службы батареи.