Buen día a toda la comunidad respetada. Tengo el honor de ofrecer a los Hubrovites interesados en la electrónica de radio algunas consideraciones y una implementación específica de la fuente de alimentación de respaldo en los ionistores (son supercondensadores con una doble capa eléctrica), diseñada para garantizar la finalización correcta del módulo del procesador en un microcontrolador ARM que se ejecuta bajo Linux Debian estándar.
El problema surgió frente a su humilde servidor de la siguiente manera: debe apagar correctamente el sistema operativo Linux (que se ejecuta en la solución integrada) cuando se apaga la alimentación externa. Esta energía se suministró desde un puerto USB 2.0 estándar a un dispositivo de caja previamente hecho a través de al menos un conector USB-B estándar. El usuario inexperto de este dispositivo prefirió extraer el cable USB curny, siguiendo el principio de "UnPlug-NoPlay-NoProblem". Está claro que una solución integrada sin discos duros y con memoria virtual puesta a cero durante la configuración es resistente a tal fuerza mayor, sin embargo, un par de miles de horas de uso han demostrado que no siempre funciona "sin problemas".
Tuve que arrugar mi cerebro y entrar en un trance creativo. Al salir del trance, se materializó la primera forma posible de resolver el problema: la psicológica, que al principio parecía la más atractiva. La línea de pensamiento fue aproximadamente la siguiente: ¿por qué el usuario común tira de un palo pegado en el puerto USB con una mano inquebrantable? Probablemente porque ni él mismo ni sus conocidos más cercanos perdieron de esta manera su tesis, disertación o informe anual. ¿Por qué el mismo usuario no sacó un cable de impresora de una impresora que funcionaba en los días de ona? Probablemente porque vio o escuchó de los labios de alguien cómo tenía que comprar un nuevo MB o Centronics en ISA (PCI). No quiero (de la palabra en general) que mi caja fue sacada sin ceremonias. ¿Qué hay que hacer para esto? Correcto, forma el comportamiento de usuario requerido.
Tuve que sacudir las habilidades de circuitos y trazado, y la próxima versión de la caja tenía un LED RGB y un botón en el panel frontal, así como una señal piezoeléctrica con un timbre desagradable en el interior. Un programa simple determinó si el apagado extremo pasó correctamente. Si era incorrecto y la mala conducta del usuario era la primera en su memoria flash, seguía la acción de control: en lugar de que el indicador fuera amarillo y verde, la caja parpadeó con un ojo rojo y chilló vilmente un par de minutos antes de que se calmara y comenzara a cargar. La recaída se castigaba con cinco minutos, un brezo aún más vil y una línea en el manual que la caja bloqueada debido a un apagado incorrecto repetido se elimina de la garantía, aquí.
Ya sabes, el método resultó ser sorprendentemente efectivo. Pero aquí, el Estimado Cliente expresó un deseo de que antes de desconectar la caja todavía informaría al servidor que estaba tomando tiempo de la escena. Ahora algo, pero se requería una fuente de energía. El cerebro del próximo trance creativo regresó con el pensamiento: ¡una batería de polímero de litio es nuestro todo! El pensamiento común agregó mucho escepticismo a este pensamiento: realmente no quería cargar la batería cada vez que la encendía, porque la cantidad de descargas de carga es un recurso consumido, así como el tema del engaño cínico de los fabricantes de baterías de clientes inocentes. ¿No se carga cada vez que lo enciende, sino a medida que se descarga? Por lo tanto, es necesario cercar todo el jardín, calibrar la batería, medir el voltaje con buena precisión. En general, esto y aquello, y luego el Samsung Galaxy entró en escena con sus baterías incendiarias. Imaginando un incendio en el lugar donde se suponía que debía estar la caja, tuve que agitar voluntariamente un sable y detener la dolorosa deliberación de la segunda idea.
Entrando en trance por tercera vez, un genio creativo sacó a la luz los ionistores. Y qué, no parece malo. La capacidad está en faradios, el número de ciclos de carga-descarga no está limitado, por así decirlo, el voltio realmente no es suficiente: 2.7 máximo por celda, y no son muy en cascada. Ya no había nada que reflexionar sobre la falta de opciones, y nuevamente tuve que abordar el circuito junto con la traza.
Buscar en las vastas extensiones de Internet trajo algo de trampa y, por un momento de reflexión, se decidió detenerse en el microcircuito Linear LTC3110. Mirando hacia el futuro, diré que se han probado un par de opciones más, pero no con un éxito particular. Si el lector está interesado en los detalles de la elección, eres bienvenido en PM. De las opciones disponibles, el LTC3110 contiene casi todo lo que necesita para construir una fuente de energía de respaldo en los ionistores:
- tiene un convertidor elevador, lo que hace que el diseñador no esté particularmente limitado en la elección de la tensión de alimentación;
- este convertidor utiliza inductancia para el almacenamiento de energía, lo que aumenta significativamente la eficiencia y permite dar un par de amperios a la carga;
- es posible limitar la corriente consumida durante la carga en el rango de 125mA - 2A, lo cual es especialmente importante cuando se alimenta por USB;
- hay un circuito incorporado para el equilibrio individual de los ionistores conectados en serie para aumentar la potencia y la fiabilidad almacenadas;
- el chip está equipado con cables que indican el grado de carga de los ionistores;
- y, para el postre, hay un comparador adicional, cuyos umbrales son establecidos por el usuario.
Para obtener detalles y ejemplos de aplicaciones, envío al lector curioso a la hoja de datos del microcircuito, el todopoderoso Google con el hechizo "LTC3110 pdf" para ayudarlo.
En teoría, para construir un Micro-UPS que funcione, el LTC3110 necesita agregar un circuito que proporcione energía a la caja en el modo normal, si hay una conexión a un USB que funcione. El IC ST1S10PHR fue elegido para este papel honorable, cuya disposición sin pretensiones y bajo precio han sido conocidos y probados durante mucho tiempo. También tuve que agregar una llave que interrumpe el circuito de alimentación de los principales consumidores durante la carga inicial de los ionistores. Esta tecla le permite resolver dos problemas: en primer lugar, se reduce el tiempo de carga inicial (ya que casi todo lo que consume el USB va a los ionistores), y en segundo lugar, elimina la desagradable posibilidad de apagón cuando el UPS está tan descargado que el suministro de energía aún no es suficiente para el correcto apagado Además, el "arranque alto" de los ionistores completamente cargados permite que el circuito a veces (pero no muy a menudo) consuma más corriente de la que puede proporcionar el puerto USB; el déficit se repondrá de los ionistores. Tal situación puede surgir, por ejemplo, al grabar un gran bloque de información en una unidad flash USB de gran capacidad que se alimenta junto con la caja.
Creo que la parte introductoria se puede completar sobre esto y pasar a un esquema de trabajo específico.
Así es como se ve el circuito micro-UPS en los ionistores.
La alimentación se suministra desde el puerto USB 2.0 (esquina superior izquierda del circuito). En DA1, de acuerdo con el esquema recomendado, se ensambla un convertidor reductor 5V -> 3.3V a partir de una hoja de datos. Su única característica es un filtro adicional del timbre de alta frecuencia en L2 y C7. Si lo desea, estos elementos pueden ser excluidos. Las resistencias R3 ... R5 se utilizan para la descarga de emergencia de los ionistores antes del transporte, por ejemplo, o antes de configurar toda la placa como un todo, de lo contrario, la fuente de energía permanece en ella y es lo suficientemente potente como para quemar cualquier cosa. Las resistencias de descarga están conectadas o desconectadas por el puente SA1. VT1, C16, R17 y R18: la clave para alimentar a los principales consumidores, ya se ha mencionado anteriormente y tendrá que agregar algunas palabras a continuación. Todo lo demás es el arnés estándar LTC3110 de la hoja de datos.
3V3SBY es la potencia de reserva del circuito de control, en la caja se implementa en el CPLD EPM240T100 de Altera, pero nada impide que se ejecute en un microcontrolador o lógica discreta. 3V3 es la fuente de alimentación principal de la caja reservada por UPS. La información de estado del Micro-UPS se muestra en PWRFAIL, BATFULL y BATLOW con nombres que se explican por sí mismos. PWRFAIL se activa cuando hay una pérdida de energía del USB, BATFULL indica que la carga alcanza el nivel del 95% (5.2V), BATLOW muestra una disminución en el nivel de carga al 40% (2.1V). Si lo desea, este nivel se puede ajustar seleccionando R6 y R7, guiados por la hoja de datos. Desafortunadamente, tal truco no funciona con el nivel BATFULL: se clava en el CI con clavos.
El micro UPS controla dos señales: PWRON y BATOFF. PWRON enciende la alimentación principal, BATOFF apaga el UPS como un todo.
La lógica general del funcionamiento del micro UPS es la siguiente:
- en el estado inicial, C8 y C9 están completamente descargados, el puente SA1 en la posición izquierda, no se suministra alimentación USB de 5V;
- el dispositivo está conectado a un puerto USB-B 2.0;
- el convertidor en DA1 comienza a suministrar corriente a la línea 3V3SBY, energizando el circuito de control en CPLD, que, a su vez, abre la tecla VT1, eliminando la señal PWRON; Además, el circuito de control elimina la señal BATOFF, incluyendo DA2;
- DA2 comienza a cargar los ionistores; a medida que se cargan, la señal BATLOW se desactiva (a 2.1 V), luego se activa BATFULL (a 5.2 V en los ionistores);
- la aparición de la señal BATFULL, el circuito de control considera la disponibilidad del micro UPS para funcionar y enciende VT1, suministrando energía al circuito principal; Al mismo tiempo, DA2 continúa monitoreando los ionistores, y cuando la carga cae por debajo del 95%, comienza a cargarse; la conexión de VT1 al pin RSENS DA2 asegura que se tome tal corriente para recargar que no exceda el límite USB, teniendo en cuenta el circuito principal consumido; Si el consumo del circuito principal excede este límite, la descarga de los ionistores comenzará a compensar los gastos innecesarios;
- Al desconectar el USB de 5V, se activa la línea PWRFAIL, lo que le permite al dispositivo de control saber que la fuente externa ha desaparecido; el circuito de control genera una solicitud para interrumpir el procesador ARM para ejecutar el script de apagado correcto; todo este tiempo la energía es suministrada por DA2;
- al finalizar el procedimiento de apagado, ARM emite una señal de que todo está listo para la extinción, y el circuito de control establece BATOFF, deshabilitando DA2; en este estado, la caja se encuentra antes de suministrar energía al USB de 5 V (consulte el punto 1, excepto la carga residual en C8 y C9);
- Si ARM dudó mucho y no pudo cerrar todo hasta la señal BATLOW, el circuito tendrá que desenergizarse por la fuerza.
Si lo desea, es fácil organizar cualquier otra lógica de control de micro-UPS, por ejemplo, al aumentar el porcentaje de activación de BATLOW al 60% (seleccionando R6 y R7), úselo como una señal para detenerse, desconectándose por la fuerza de la descarga completa C8 y C9.
Al final, revise rápidamente los parámetros configurables del circuito. R1 y R2 determinan el voltaje de salida de DA1, otro voltaje puede requerir el reemplazo de C1, C2, C4-C6 y L1. Las clasificaciones de C8 y C9 determinan solo los tiempos de carga y descarga del UPS, personalmente intenté de 4.7 a 100 Farads, en teoría no hay restricciones. R6 y R7 determinan el nivel de activación de BATLOW. El voltaje de la carga máxima de los ionistores depende de la relación R8 / R9. R11 determina la corriente consumida desde 5V USB, a la resistencia indicada, el circuito consume 0.5A. La relación R12 / R14 establece un nivel de caída de USB de 5V, que se definirá como falla de energía (PWRFAIL). R15 / R16 determina el voltaje de salida de DA2 en modo de descarga.
Las señales de salida del LTC3110 se realizan de acuerdo con el esquema de "drenaje abierto" para no estar atados a un voltaje de suministro específico. En mi circuito, las resistencias pull-up para ellos están involucradas en CPLD, no es un problema usarlas en ningún microcontrolador moderno. Bueno, si decides montar un circuito de control en K155, entonces debes cuidar las resistencias tú mismo.
Algunas palabras sobre el C16. Obtener este conocimiento me llevó la mayor parte del tiempo dedicado a la placa prototipo de UPS. Después de todo, ¿cuál es el problema? El negro en inglés dice que si desea que se garantice que la suma de la corriente consumida por el circuito principal y la corriente de carga de los ionistores no exceda el límite establecido por R11, alimente amablemente el circuito principal desde la salida RSENS. OK, de acuerdo. Y luego más interesante. Como su circuito puede tener cualquier cosa, hasta un cortocircuito (cortocircuito, es un cortocircuito, es corto), dice la hoja de datos, el LTC3110 está equipado con un circuito de protección especial. OK muy bien Y ahora para la parte divertida. Leemos más la hoja de datos: y para que el esquema de protección no se confunda, proporcione la capacidad total de la línea de alimentación NO MÁS, Karl, 10 microFarads. Goofy ... Por todo sobre todo, y no te niegues nada. De hecho, cualquier carga superior a 10uF cuando se conectan cuñas ... No se engañe, Basurman. Tuve que hacer un ligero retraso en la clave en VT1, lo que da C16. Entiendo que durante algún tiempo VT1 no estará en el modo clave, sino entre el cielo y la tierra (en el sentido, entre VCC y GND), lo que no es nada bueno. Pero al menos funciona. Tal es el "nuevo hawa". Para los fanáticos de la pureza de los modos clave, agregaré que intenté no poner C16, sino una inductancia de 1.5 μH en serie con VT1: todo funciona muy bien.
A continuación, doy una imagen de una placa de circuito impreso con el circuito descrito, por supuesto, la numeración de los componentes difiere de la indicada en el diagrama del circuito: es transversal para toda la caja.
Si tiene preguntas, por favor.