53ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2020

Zasilacz buforowy z superkondensatorami dla Raspberry Pi

Dodatkowe materiały do pobrania ze strony www.media.avt.pl

W ofercie AVT* AVT-5739Podstawowe parametry:• czas potrzymania dla RPi przy odtwarzaniu filmu HD wynosi ok. 45 s,

• zasilanie 5 V, 3 A,• wyjście 5 V, 2 A,• energia gromadzona w dwóch superkondensatorach 22 F/2,7 V,

• możliwość zwiększenia pojemności do 4×33 F i wydłużenia czasu podtrzymania.

Projekty pokrewne na www.media.avt.pl:–––– Instalacja zegara czasu rzeczywistego w Raspberry Pi (EP 9/2019)–––– Domowy serwer Network Attached Storage na Raspberry Pi (EP 9/2019)–––– Sprzętowy przycisk do wyłączania Raspberry Pi (EP 9/2019)AVT-5689 Budżetowy interfejs USB-I2C (EP 7/2019)AVT-5680 Sensor smogu z technologią Bluetooth Low Energy (EP 4/2019)–––– Miniaturowy moduł interfejsu RS485 dla Raspberry Pi, launchpadów i nie tylko (EP 11/2018)–––– Budowa projektora DLP z użyciem Raspberry Pi 3 oraz modułu TI LightCrafter Display 2000 (EP 9/2018)AVT-1989 Miniaturowy driver LED RGBW z interfejsem I2C (EP 8/2018)–––– 2-portowy, miniaturowy hub USB zgodny z Raspberry PI Zero (EP 6/2018)

* Uwaga! Elektroniczne zestawy do samodzielnego montażu. Wymagana umiejętność lutowania!Podstawową wersją zestawu jest wersja [B] nazywana potocznie KIT-em (z ang. zestaw). Zestaw w wersji [B] zawiera elementy elektroniczne (w tym [UK] – jeśli występuje w projekcie), które należy samodzielnie wlutować w dołączoną płytkę drukowaną (PCB). Wykaz elementów znajduje się w dokumentacji, która jest podlinkowana w opisie kitu.Mając na uwadze różne potrzeby naszych klientów, oferujemy dodatkowe wersje: wersja [C] – zmontowany, uruchomiony i przetestowany zestaw [B] (elementy wlutowane w płytkę PCB)

wersja [A] – płytka drukowana bez elementów i dokumentacjiKity w których występuje układ scalony wymagający zaprogramowania, mają następujące dodatkowe wersje: wersja [A+] – płytka drukowana [A] + zaprogramowany układ [UK] i dokumentacja

wersja [UK] – zaprogramowany układNie każdy zestaw AVT występuje we wszystkich wersjach! Każda wersja ma załączony ten sam plik pdf! Podczas składania zamówienia upewnij się, którą wersję zamawiasz!http://sklep.avt.pl. W przypadku braku dostępności na http://sklep.avt.pl, osoby zainteresowane zakupem płytek drukowanych (PCB) prosimy o kontakt via e-mail: kity@avt.pl.

Wykaz elementów:Rezystory (SMD0805):R1: 115 kVR2: 39 kVR3: 6,2 kVR4: 1 kVR5: 10 mV 0,5 WR6: 1,34 MVR7: 255 kVR8: 1,05 MVR9: 200 kVR10, R11, R12, R13: 220 VR14, R15, R16, R17: 10 kV

Kondensatory:C1: 0,1 mF/50V SMD1206C2, C5: 0,1 mF SMD0805C3: 2,2 mF SMD0805C4: 1 nF SMD0805

C6, C7: 10 mF SMD0805CE1: 100 mF/50 V Low ESRCE2, CE3: 100 mF/10 V Low ESRSC1, SC2: 22 F/2,7 V superkondensator DRL22/2.7VSC3, SC4, SC5, SC6: 22 F/2,7 V – opcjonalnie

Półprzewodniki:Q1, Q2: SIS488DNU1: LTC4041EUFD

Inne:L1: 2,2 mH dławik HPI0640-2R2PWR, V50: DG381-3.5-2USB: złącze micro USBGPIO: złącze IDC żeńskie 40 pin 2,54 mmIO: złącze JST B5B PHKS – opcjonalnie

W wielu aplikacjach zachodzi ko-nieczność bezpiecznego wyłączenia Raspberry Pi podczas niespodzie-wanych przerw w zasilaniu. Aby prawidłowo zamknąć system, bez ryzyka uszkodzenia systemu plików lub samej karty SD, konieczne jest kilkunastosekundowe podtrzymanie zasilania. Jako magazyn energii dla podtrzymania zasilania ideal-nie nadają się superkondensatory EDLC współpracujące ze specjalizo-wanym kontrolerem zasilania.

się do dzielników rezystorowych układów monitorowania napięć oraz kluczy wy-konawczych przetwornicy DC/DC. Układ LTC4041 ma wszystkie niezbędne zabez-pieczenia wymagane dla bezpiecznej eks-ploatacji superkondensatorów, łącznie z komparatorami i balanserem.

Napięcie wejściowe o parametrach 5 V, 3 A poprzez gniazdo USB lub PWR po wstęp-nej filtracji przez CE1 doprowadzone jest do  dzielnika R1, R2 układu wykrywania zaniku zasilania ULvo (U1–19). W modelu wartość ULvo ustalona jest na  4,7  V we-dług wzoru:

ULvo=1,19·(1+(R1/R2)),Jeżeli napięcie na  wyprowadzeniu PFI

jest wyższe niż wewnętrzny próg 1,19  V,

i pobierającego prąd do 2 A. Bateria super-kondensatorów może zostać rozbudowana do pojemnosci 4×33 F.

Budowa i działanieZasilacz buforowy jest typową aplikacją specjalizowanego układu LTC4041 (Analog Devices), której schemat pokazano na ry-sunku  1. Strukturę wewnętrzną układu LTC4041 pokazano na rysunku 2. W wersji rev.0 noty niestety błędnie opisane są nie-które wyprowadzenia, poprawne oznaczenia i numeracja zamieszczone są na schemacie i rysunku obudowy LTC4041 w karcie ka-talogowej. Dzięki zastosowaniu specjalizo-wanego układu aplikacja zawiera niewiele elementów zewnętrznych ograniczających

MINIPROJEKTY

Prezentujemy zasilacz buforowy w formie nakładki HAT dla Raspberry Pi Plus, groma-dzący energię w dwóch superkondensatorach 22 F/2,7 V. Zapewniają one podtrzymanie zasilania na czas kilku...kilkunastu sekund w zależności od obciążenia. Układ można zastosować do  zasilania dowolnego in-nego odbiornika zasilanego napięciem 5 V

54 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2020

zasilaczy z korygowanym napięciem wyj-ściowym. Nie polecam zasilania układu ze źródeł o podejrzanej jakości, gdyż układ nie wykorzysta w 100% pojemności konden-satorów, ładując je do niższego napięcia.

Stan wyprowadzenia CAPSEL (U1–14) in-formuje LTC4041 o konfiguracji kondensato-rów. W przypadku zwarcia do masy układ współpracuje z jednym superkondensatorem,

Jest to bezpieczna wartość, zapewniająca niezbędny margines dla kondensatorów o na-pięciu pracy 2,7 V. W przypadku doboru na-pięcia ładowania warto zachować niewielki margines zasilania dla zapewnienia po-prawnej pracy układu. Polecam zasilanie z ładowarek lub zasilaczy o nieco wyższym napięciu wyjściowym 5,1...5,5  V/3  A  lub ustawienie zbliżonej wartości w przypadku

wbudowana przetwornica konfi-gurowana jest w  tryb obniżający i pracuje w funkcji ładowarki su-perkondensatorów. Jednocześnie tranzystor Q2 przekazuje napięcie zasilające na  zaciski złącza V50. Układ monitorowania napięcia wejściowego ustawia wyjście PFO (OD) w stan wysoki. Gdy napięcie wejściowe spadnie poniżej 1,19 V, na wyjściu PFO jest ustawiany stan niski i układ przechodzi do trybu podtrzymania zasilania, konfigu-rując przetwornicę w  tryb pod-wyższający i  zasila się energią zgromadzoną w superkondensato-rach. Napięcie wyjściowe w trybie podtrzymania ustalone jest dzielni-kiem R8, R9 podłączonym do wy-prowadzenia BSTFB, w  modelu wynosi 5,0 V:

Vsys=0,8·(1+(R8/R9),Informację o poprawnej warto-

ści napięcia wyjściowego możemy odczytać z wyjścia SYSGD (U1–11), w modelu zrezygnowano z dodatko-wego dzielnika dla wyprowadze-nia RSTFB, wykorzystując dzielnik ustalający napięcie wyjściowe Vsys, w tym przypadku próg wynosi ok. 4,6 V tj. 7,5% poniżej Vsys.

Dodatkowym zabezpieczeniem realizowanym przez LTC4041 jest ochrona zasilanego układu przed przekroczeniem napięcia zasilania OVP. Rezystor R3 informuje układ o wartości napięcia zasilania i jeżeli przekroczy ono 6 V, wewnętrzny komparator odetnie tranzystor Q1, odłączając zasilanie przekraczające wartość bezpieczną.

Kondensator C4 podłączony do  wyprowadzenie CPF określa minimalny czas podtrzymania za-silania, czyli pracy układu w try-bie przetwornicy podwyższającej zapobiegający zbyt częstemu prze-łączaniu trybów przetwornicy. Re-komendowany czas to 1...500 ms. Zbyt krótki może spowodować oscylacje przy przełączaniu trybów, wartość kondensatora obliczana jest z poniższego wzoru, w modelu czas ustalono na 2,2 ms.

tmin (ms)=2,2·C4 (nF)Ładowarka kondensatorów pra-

cuje w  trybie CC/CV. Podczas ładowania kondensatorów SC1, SC2 (SC4...6), układ kontrolując prąd, dąży do  utrzymania na nich napięcia ustalonego dzielnikiem R6, R7. Napięcie z dzielnika doprowadzone jest do wyprowadzenia CAPFB (U1–12). W mo-delu napięcie ładowania Vscap ustalone jest na 5,00 V:

Vscap=0,8·(1+(R6/R7))

Rysunek 1. Schemat ideowy zasilacza buforowego

19181716151413

++ +

++

+ ++

CE1

100uF/50V

1 2 3 4 5

VBUS

D–

D+ ID

GND

SG6A6B

6C6D

USB

PWR1 2

VIN

R1

115k PFI

R2

39k

C2

0,1uF

OVS

R3

6,2k

C1

0,1uF/50V

VSCAP

BAL

SC2

22F/2,7V

SC1

22F/2,7V

L12,2uH

R7

255k

CFB

R6

1,34M

C5

0,1uF

C6

10uF/10V

VIN

8 7 6 5

1 2 3 4

Q1

SIS488DN

D D D D

S S S S

R4

1k

C3

2,2uF/10V

R5

10mR

GATE

25 1 2 3 4 5 6 7

89101112

GND

U1

LTC4041EUFD

C4

1nF

Q2

SIS488DN

GSSS

DDDD

5678

4321

PFI

BST

OVS

GATE

PFO

CGD

VSYS

PROG

IMON

!CHG

!BST

VIN

CLN

PFI

BSTFB

CPF

OV

IGATE

!PFO

CGD

VSYSSCAPSWSWCSEL

!CFLTBAL

RSTFBSYSGD

CFB

V50

1 2

V50

R8

1.05M

BST

R9

200k

C7

10uF/10V

CE2

100uF/10V

CE3

100uF/10V

2423222120

V33

V33

V50

PFO

G23

V33

CGD

CFLT

SYSGD

G11

G27

G22

R10

R11

R12

220

220

220

IO

R17

10k

R13

220

R14

10k

R16

10k

R15

10k

GPIO

1 2 3 4 5

CGD

CFLT

SYSGD

PFO

2 4 6 8 10121416182022242628303234363840

1 3 5 7 9 11 1315171921232527293133353739

CFB

SYSGD

CFLT

BAL

BST

VSCAP

+SC6

22F/2,7V

SC5

22F/2,7V

BAL

SC4

22F/2,7V

SC3

22F/2,7V

MINIPROJEKTY

55ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2020

wbudowany balanser jest nieaktywny. Gdy wyprowadzenie CAPSEL podłączone jest do napięcia większego od 1,2 V, LTC4041 aktywuje balanser i  jest skonfigurowany do  ładowania dwóch szeregowo połączo-nych superkondensatorów. Układ balansera mierzy napięcie poprzez wyprowadzenie BAL (U1–9), maksymalny prąd balansowa-nia wynosi 50 mA przy napięciu Vscap 5 V. Układ zabezpieczenia sygnalizuje przekro-czenie napięcia 2,7 V na kondensator w try-bie ładowania lub odwrócenie polaryzacji o wartość większą od –20 mV w trybie roz-ładowania, ustawiając stan niski na wyjściu CAPFLT (U1–8) i  wyłączając przetwor-nicę podwyższającą.

Obwód ładowania kondensatorów wy-posażony jest w układ kontroli prądu, za-bezpieczający źródło zasilania przed przeciążeniem. W trakcie ładowania prąd rozdzielany jest pomiędzy podłączone ob-ciążenie a ładowarkę. Obwód kontroli prądu mierzy napięcie na rezystorze R5, maksy-malna wartość pobieranego przez układ prądu określana jest wzorem:

R5=25 mV/Isyslim

i w modelu ustalona jest na ok. 2,5 A. Prąd ładowania kondensatorów okre-śla rezystor R4 podłączony do wypro-wadzenia PROG (U1–2). W  modelu maksymalny prąd ładowania wynosi 2 A, zgodnie z wzorem:

R4=2000/IchgWbudowany komparator mierzy

napięcie na kondensatorach i sygna-lizuje na wyjściu CAPGD (U1-13) ich naładowanie do napięcia 92,5% Vcap, w modelu jest to ok. 4,6 V. Gdy napię-cie Vscap osiągnie ustaloną wartość lub prąd spadnie do 12,5% prądu ła-dowania Ichg, układ wyłączy łado-warkę. LTC4041 ma automatyczne wznowienia ładowania, gdy napięcie Vscap spadnie do 97,5% wartości ustalonej. Zapobiega to niepotrzebnemu przełączaniu trybów pracy układu.

Układ U1 zabezpieczony jest także przed przegrzaniem i po osiągnięciu temperatury 160°C wyłączy się, ponowne załączenie na-stąpi po  ochłodzeniu struktury do  145°C. Wszystkie sygnały statusowe dostępne są za-równo na złączu GPIO, jak i na złączu IO. Gdy

Rysunek 2. Struktura wewnętrzna LTC4041 (za notą Analog Devices)

płytka współpracuje z innym SBC, nie należy montować rezystorów R14...R17, a o podciąga-nie wyjść OD należy zadbać we współpracują-cym układzie.

Montaż i uruchomienieUkład zmontowany jest na  dwustron-nej płytce drukowanej zgodnej z HAT (bez EEPROM-u  konfiguracji) rozmieszczenie

CHARGERCTRL

ENABLEBAL

BUCK/BOOST

SUPERCAP CHARGERBOOST BACKUP

BOOSTCTRL

+

+

+

+

+

+

+

14

8

13

20

25

12

23

18

21

4

5

22

10

11

L1

2

9

16

15

+ + +

+

+

6 7

17 CP1

6V

OVERVOLTAGE PROTECTION

PWM

OT

6.2k

INPUT

CPF

CCPF

OVSNS

PFI

PFO

CAPFLT

CAPGD

CAPSEL

GND

PROG

CAPFB

4041 BD

SCAP

CHGEN

BSTEN

SW

SW

BSTFB

RSTFB

SYSGDRBFB1

RBFB2

C OUT

CSCAP

CSCAP

SYSTEM

VSYS VSYS

MN2

CLN

IMON AMPLIFIER

A = 32V

IGATE

MN1

VIN

1.19V

6.4k

?20mV

BAL

(SCAP-BAL)

0.74V

CAPFB

10µA

SUPERCAPFAULTLOGIC

POWER-FAILCOMPARARTOR

RPF1

RPF2

19

2.7V

BAL

(SCAP-BAL) OR SCAP

0.8V 0.8V 0.8V

SUPERCAPBALANCER

RS

0.74V

0.8V

1 243IMON

IMON

2M

2M

+

+

+

–

–––

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

BAL

RFB1

RFB2

RPROG

Rysunek 3. Rozmieszczenie elementów

MINIPROJEKTY

56 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2020

elementów pokazano na rysunku 3. Montaż układu nie wymaga szczególowego opisu, należy tylko zadbać o  poprawne przylu-towanie padów termicznych i  o  umycie płytki po lutowaniu. Prawidłowo zmonto-wany moduł pokazano na fotografii tytuło-wej. Płytka umożliwia zastosowanie dwóch kondensatorów wlutowanych w pozycji le-żącej SC1, SC2 dla zmniejszenia wysokości lub do dwóch par SC3, SC4 i SC5, SC6 wlu-towanych na stojąco, gdy zależy nam na naj-większej pojemności.

Pierwsze uruchomienie warto przeprowa-dzić z pomocą regulowanego zasilacza la-boratoryjnego z ograniczeniem prądowym (0...6 V/3 A) dla części mocy i 3,3 V/50 mA

dla obwodów sygnalizacji. Do wyjścia najle-piej podłączyć sztuczne obciążenie z trybem stałego poboru mocy. Przy wyłączonym ob-ciążeniu i podaniu napięcia zasilania należy sprawdzić prądy ładowania, napięcie koń-cowe ładowania oraz sygnalizację stanów. Po naładowaniu kondensatorów należy wyłą-czyć zasilacz i sprawdzić pracę układu z ob-ciążeniem 10 W, kontrolując sygnały statusu. Po rozładowaniu kondensatorów, nie odłą-czając obciążenia, należy załączyć zasilanie i sprawdzić rozkład prądów i ograniczenie pobieranego prądu. W razie konieczności można skorygować wartości rezystorów.

Podczas pracy z Raspberry Pi, przy kon-densatorach SC1, SC2 o pojemności 22 F

czas potrzymania przy odtwarzaniu filmu HD wynosi ok. 45 s (aplikacja kiosku infor-macyjnego), co zapewnia, z dużym zapasem, czas konieczny na bezpieczne wyłączenie systemu. Realny czas ładowania konden-satorów zależy od obciążenia i mieści się w kilku minutach.

Uwaga: podczas użytkowania modułu na-leży zachować odpowiednie warunki eks-ploatacji: zabezpieczyć superkondensatory przed uszkodzeniem mechanicznym oraz zwarciem zacisków. Nieprzestrzeganie wa-runków bezpiecznej eksploatacji może spo-wodować eksplozję kondensatorów oraz zagrożenie dla zdrowia użytkownika.

Adam Tatuś, EP

MINIPROJEKTY