Lee H. Goldberg, Electronic Products
Digi-Key
Вы, наверное, замечали, иногда складывается такое впечатление, что элементы питания смартфонов, планшетов и других мобильных устройств разряжаются в самый неподходящий момент, когда нет возможности их зарядить от штатного зарядного устройства с питанием от сети. Именно в таких случаях может пригодиться компактное зарядное устройство с питанием от солнечной панели и интерфейсом USB для подключения мобильного устройства. В статье мы рассмотрим основные моменты в схемотехнике при конструировании такого зарядного устройства. Для повышения его функциональности мы, в качестве резервного источника энергии, добавим аккумуляторы, заряжать которые можно будет от солнечной батареи или от порта USB. Подобные устройства получили название Power Bank (хранилище энергии).
Выбор компонентов
С целью упрощения конструкции было решено взять за основу одно из новых однокристальных решений контроллера заряда с поддержкой технологии отслеживания точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking, MPPT), которые применяются в солнечных энергосистемах. Такие контроллеры заряда предлагают компании STMicroelectronics (SPV1040) и Texas Instruments (BQ24650). Выбор был сделан в пользу высокоинтегрированного контроллера SPV1040, поскольку он эффективнее и поддерживает входное напряжение в диапазоне 0.3 – 5.5 В. В прибор интегрированы повышающий преобразователь на базе ШИМ и контроллер MPPT. Основная задача контроллера MPPT – оптимизация входного сопротивления под характеристики солнечной панели, которые варьируются в зависимости от того, сколько световой энергии она получает. Помимо того, что данный контроллер позволяет извлечь максимальную мощность из найденной для этого проекта солнечной панели, зарядное устройство на его основе может быть легко адаптировано для питания от альтернативного источника – USB порта. Дополнительно, контроллер снабжен схемами защиты, которые отключают ШИМ преобразователь в случае превышения порога тока (программируемый параметр, до 1.8 А) или превышения запрограммированного значения температуры контроллера (до 155 °C).
 |
|
| Рисунок 1. |
Контроллер SPV1040 компании STMicroelectronics – это однокристальный маломощный повышающий преобразователь напряжения с входным напряжением в диапазоне 0.3 – 5.5 В и интегрированными схемами защиты, поддерживающий технологию MPPT для повышения эффективности получения энергии от солнечной панели. |
Напомним, разрабатываемое зарядное устройство (Power Bank) будет использоваться для зарядки смартфона или другого USB устройства. По этой причине решено было использовать повышающий преобразователь L6920, также от компании STMicroelectronics (ST) (Рисунок 2, главным образом 2а). Применен он для стабилизации выходного напряжения на уровне строго 5 В. Широкий диапазон входного напряжения (0.6 В – 5.5 В) дает большую гибкость при настройке, оптимизации и конфигурировании резервного зарядного устройства.
 |
|
| а) | |
 |
|
| б) | |
| Рисунок 2. |
Блок-схема высокоэффективного повышающего преобразователя L6920 (a). Как видно на схеме (б), регулятор напряжения обеспечивает выходное напряжение 5 В для внешнего устройства посредством стандартного коннектора USB (J34). |
Изначально в качестве внутренних элементов питания для зарядного устройства планировалось использовать Li-Po или Li-Ion аккумуляторы из-за их более высокой емкости и быстрого времени заряда. Однако отказаться от них пришлось по соображениям безопасности: вспомнились далеко не идеальные тепловые характеристики этих аккумуляторов, которые могут усугубляться в состоянии перегрузки по току во время заряда или разряда. Использовать потенциально опасный аккумулятор в резервном зарядном устройстве (которое будет переноситься в сумке, и отвод тепла будет слабый) было бы плохой идеей. Несмотря на то, что никель-металлогидридные аккумуляторы не сравнимы по размерам с Li-Po и Li-Ion, они намного безопаснее, более доступны и для них потребуется относительно простая схема заряда.
Для прототипа была сконструирована батарея из 4-х элементов типоразмера AA Energizer NH15 с номинальным напряжением 1.2 В и емкостью 2300 мАч. В дальнейшем планируется использовать никель-металлогидридные элементы типа D (NiMH D), имеющие емкость 6000 - 8000 мАч.
Разработка
При изучении указаний по применению и технической документации было обнаружено, что компания ST предлагает готовый типовой проект компактного зарядного устройства с поддержкой технологии MPPT и возможностью зарядки NiCd или NiMH аккумуляторов от солнечной батареи с выходной мощностью до 5 Вт. Типовой проект STEVAL-ISV006V2 (Рисунок 3, 4) включает в себя небольшую фотоэлектрическую панель (320 мВт) и ионистор для демонстрации работы приложения сбора, преобразования и накопления энергии.
 |
|
| Рисунок 3. |
Внешний вид оценочной платы из набора STEVAL-ISV006V2 компании ST. |
 |
|
| Рисунок 4. |
Оценочная плата STEVAL-ISV006V2 представляет собой готовое зарядное устройство на микросхеме SPV1040 с питанием от солнечной батареи, которое может применяться для зарядки NiCd или NiMH аккумуляторов. |
Для нашего случая ионистор исключается из схемы, и к соответствующему коннектору подключается сконструированная нами батарея. При этом потребуется подбор резисторов на оценочной плате в связи с изменением типа нагрузки. К счастью, компания предоставляет необходимую документацию и инструкции по расчету значений этих резисторов (документ AN3319). Проводить расчеты имеет смысл для окончательного проекта, в котором будет использоваться более мощная солнечная батарея.
Тем не менее, типовой проект для нашей конструкции требует доработки с целью решения двух задач:
- необходима стабилизация выходного напряжения 5 В (USB);
- желательно иметь возможность подзарядки внутренней батареи аккумуляторов зарядного устройства от любого источника с USB интерфейсом (ПК, ноутбук, адаптер).
Решние первой задачи доволно простое – использовать в схеме регулятора L6920 (опять же, обращаемся к Рисунку 2б). Но, реализация подзарядки внутренней батареи аккумуляторов нашего зарядного устройства от USB порта оказалась сложной задачей. Изначально для этого автор намеревался использовать тот же контроллер SPV1040, но столкнулся с проблемой в реализации схемы согласования при питании от солнечной панели и интерфейса USB, причиной которой является технология MPPT (см. Рисунок 1). Автор связался со службой технической поддержки компании с целью скорейшего получения ответа по данной проблеме, хотя устройство уже полностью работоспособно, только для подзарядки внутреннего аккумулятора используется пока солнечная батарея. Если простого способа использовать возможности одного и того же контроллера не найдется, то задачу подзарядки внутреннего аккумулятора можно решить с помощью отдельной специализированной микросхемы L6902.
Работа продолжается
На данный момент резервный источник (зарядное устройство) для USB устройств, собранное на оценочной плате STEVAL-ISV006V2, замечательно работает и заряжает встроенный аккумулятор от солнечной панели. Для достижения наилучшего результата требуется регулировка, а точнее, подбор резисторов-датчиков тока и напряжения, что особенно актуально при получении более высокой выходной мощности от регулятора L6920, или от фотоэлектрической панели большего размера. Не исключено использование более эффективных и компактных солнечных панелей, но их, все равно, будет недостаточно для получения выходной мощности 1- 2 Вт. Применение больших солнечных панелей (5 Вт) сразу сказывается на габаритных размерах резервного зарядного устройства. Самой основной задачей по-прежнему остается возможность использования контроллера SPV1040 для подзарядки внутреннего аккумулятора от порта USB.
