Bom dia a toda comunidade respeitada. Tenho a honra de oferecer aos hubrovites interessados em eletrônica de rádio algumas considerações e uma implementação específica da fonte de alimentação de backup em ionistores (eles são supercapacitores com dupla camada elétrica), projetados para garantir a conclusão correta do módulo do processador em um microcontrolador ARM em execução no Linux Debian padrão.
O problema surgiu na frente do seu humilde servidor, da seguinte forma: você precisa extinguir corretamente o sistema operacional Linux (executando na solução incorporada) quando a energia externa estiver desligada. Essa energia foi fornecida a partir de uma porta USB 2.0 padrão para um dispositivo de caixa fabricado anteriormente através de pelo menos um conector USB-B padrão. O usuário inexperiente deste dispositivo preferiu retirar o cabo USB, seguindo o princípio de "UnPlug-NoPlay-NoProblem". É claro que uma solução incorporada sem discos rígidos e com memória virtual zerada durante a configuração é resistente a essa força maior, mas algumas milhares de horas de operação do usuário mostraram que nem sempre funciona “sem problemas”.
Eu tive que enrugar meu cérebro e entrar em um transe criativo. Ao sair do transe, a primeira maneira possível de resolver o problema se materializou - a psicológica, que a princípio parecia a mais atraente. A linha de pensamento foi aproximadamente a seguinte - por que o usuário comum puxa um pedaço de pau na porta USB com uma mão inabalável? Provavelmente porque nem ele nem seus conhecidos mais próximos perderam desta maneira sua tese, dissertação ou relatório anual. Por que o mesmo usuário não puxou um cabo de impressora de uma impressora em funcionamento nos dias da ona? Provavelmente porque ele viu, ou ouviu dos lábios de alguém, como ele teve que comprar um novo MB ou Centronics no ISA (PCI). Não quero (da palavra em geral) que minha caixa tenha sido retirada sem a menor cerimônia. O que precisa ser feito para isso? Correto, forme o comportamento do usuário necessário.
Eu tive que mudar as habilidades de circuito e rastreamento, e a próxima versão da caixa recebeu um LED RGB e um botão no painel frontal, além de um sinal piezo com um timbre desagradável no interior. Um programa simples determinou se o desligamento extremo passou corretamente. Se estava incorreto e a má conduta do usuário foi a primeira em sua memória flash, a ação de controle se seguiu: em vez de o indicador agradar a amarelo e verde, a caixa piscou com um olho cortante vermelho e gritou repentinamente alguns minutos antes de se acalmar e começar a carregar. A recaída foi punida em cinco minutos, uma urze ainda mais vil e uma linha no manual que a caixa, bloqueada devido a desligamento incorreto repetido, é removida da garantia aqui.
Você sabe, o método acabou sendo surpreendentemente eficaz. Mas aqui o Prezado Cliente apresentou um desejo de que antes de desconectar a caixa ainda informasse o servidor que estava demorando um pouco para sair da cena. Agora alguns, mas uma fonte de energia era necessária. O cérebro do próximo transe criativo voltou com o pensamento: uma bateria de polímero de lítio é o nosso tudo! O pensamento comum acrescentou muito ceticismo a esse pensamento: eu realmente não queria carregar a bateria toda vez que a ligava, porque o número de descargas de carga é um recurso consumido, bem como objeto de decepção cínica por fabricantes de baterias de clientes inocentes. Carregue não sempre que ligá-lo, mas quando ele descarregar? Portanto, é necessário cercar todo o jardim, calibrar a bateria, medir a tensão com boa precisão. Em geral, isso e aquilo, e então o Samsung Galaxy entrou em cena com suas baterias incendiárias. Imaginando um incêndio no local onde a caixa deveria estar, tive que acenar voluntariamente com um sabre e parar a dolorosa deliberação da segunda idéia.
Entrando em transe pela terceira vez, um gênio criativo trouxe à luz ionistores. E o que, não parece ruim. A capacidade está em farads, o número de ciclos de carga-descarga não é limitado, por assim dizer, o volt realmente não é suficiente - 2,7 no máximo por célula, e eles não são muito em cascata. Já não havia nada para refletir sobre a falta de opções e, novamente, tive que enfrentar o circuito junto com o traço.
A pesquisa nas vastas extensões da Internet trouxe alguns problemas e, por um momento, foi decidido parar no microcircuito Linear LTC3110. Olhando para o futuro, direi que mais algumas opções foram testadas, mas não particularmente bem-sucedidas. Se o leitor estiver interessado nos detalhes da escolha - seja bem-vindo ao PM. Das opções disponíveis, o LTC3110 contém quase tudo o que você precisa para criar uma fonte de energia de backup em ionistores:
- possui um conversor intensivo, o que torna o projetista não particularmente limitado na escolha da tensão de alimentação;
- este conversor utiliza indutância para o armazenamento de energia, o que aumenta significativamente a eficiência e permite dar um par de amperes à carga;
- é possível limitar a corrente consumida durante o carregamento na faixa de 125mA - 2A, o que é especialmente importante quando alimentado por USB;
- existe um circuito interno para balanceamento individual de ionistores conectados em série para aumentar a potência e a confiabilidade armazenadas;
- o chip está equipado com fios indicando o grau de carga dos ionistores;
- e, para a sobremesa, há um comparador adicional, cujos limites são definidos pelo usuário.
Para detalhes e exemplos de aplicações, envio o curioso leitor para a folha de dados do microcircuito, o todo-poderoso Google com o feitiço "LTC3110 pdf" para ajudá-lo.
Em teoria, para construir um Micro-UPS viável, o próprio LTC3110 precisa adicionar um circuito que forneça energia à caixa no modo normal, se houver uma conexão com um USB em funcionamento. O IC ST1S10PHR foi escolhido para esse papel honroso, cuja disposição despretensiosa e baixo preço são conhecidos e testados há muito tempo. Eu também tive que adicionar uma chave que interrompe o circuito de alimentação dos principais consumidores durante o carregamento inicial dos ionistores. Essa chave permite resolver dois problemas: primeiro, o tempo de carregamento inicial é reduzido (já que quase tudo consumido por USB vai para os ionistores) e, em segundo lugar, elimina a possibilidade desagradável de blecaute quando o no-break está tão sobrecarregado que o suprimento de energia ainda não é suficiente para o correto desligamento. Além disso, o “início alto” dos ionistores totalmente carregados permite que o circuito às vezes (mas não com muita frequência) consuma mais corrente do que a porta USB pode emitir - o déficit será reabastecido pelos ionistores. Essa situação pode surgir, por exemplo, ao gravar um grande bloco de informações em uma ampla unidade flash USB alimentada com a caixa.
Penso que a parte introdutória pode ser completada e seguir para um esquema de trabalho específico.
É assim que o circuito do micro-UPS nos ionistores se parece.
A energia é fornecida a partir da porta USB 2.0 (canto superior esquerdo do circuito). No DA1, de acordo com o esquema recomendado, um conversor descendente 5V -> 3,3V é montado a partir de uma folha de dados. Sua única característica é um filtro adicional do toque de alta frequência em L2 e C7. Se desejado, esses elementos podem ser excluídos. Os resistores R3 ... R5 são usados para descarga de emergência de ionistores antes do transporte, por exemplo, ou antes da montagem de toda a placa como um todo; caso contrário, a fonte de energia permanece nela e é suficientemente potente para queimar qualquer coisa. Os resistores de descarga são conectados ou desconectados pelo jumper SA1. VT1, C16, R17 e R18 - a chave para alimentar os principais consumidores, já foi mencionado acima e terá que adicionar algumas palavras abaixo. Tudo o resto é o chicote padrão LTC3110 da folha de dados.
3V3SBY é a energia em espera do circuito de controle; na caixa, é implementado no CPLD EPM240T100 da Altera, mas nada impede que ele seja executado em um microcontrolador ou lógica discreta. 3V3 é a principal fonte de alimentação da caixa reservada pela UPS. As informações de status do micro-UPS são exibidas em PWRFAIL, BATFULL e BATLOW com nomes auto-explicativos. PWRFAIL é ativado quando há uma perda de energia do USB, BATFULL indica que a carga atinge o nível de 95% (5,2V), BATLOW mostra uma diminuição no nível de carga para 40% (2,1V). Se desejado, esse nível pode ser ajustado selecionando R6 e R7, guiados pela folha de dados. Infelizmente, esse truque não funciona com o nível BATFULL - ele é martelado no IC com pregos.
O micro UPS controla dois sinais: PWRON e BATOFF. PWRON liga a energia principal, BATOFF desliga o no-break como um todo.
A lógica geral da operação do micro UPS é a seguinte:
- no estado inicial, C8 e C9 são completamente descarregados, o jumper SA1 na posição esquerda, a alimentação USB de 5V não é fornecida;
- o dispositivo está conectado a uma porta USB-B 2.0;
- o conversor no DA1 começa a fornecer corrente para a linha 3V3SBY, energizando o circuito de controle no CPLD, que, por sua vez, abre a tecla VT1, removendo o sinal PWRON; além disso, o circuito de controle remove o sinal BATOFF, incluindo DA2;
- DA2 começa a carregar os ionistores; enquanto eles carregam, o sinal BATLOW é desativado (a 2,1 V), e BATFULL é ativado (a 5,2 V nos ionistores);
- a aparência do sinal BATFULL, o circuito de controle considera a prontidão do micro UPS para funcionar e liga o VT1, fornecendo energia ao circuito principal; Ao mesmo tempo, o DA2 continua a monitorar os ionistores e, quando a carga cai abaixo de 95%, começa a carregar; a conexão do VT1 ao pino RSENS DA2 garante que essa corrente seja utilizada para recarregar e que não exceda o limite USB, levando em consideração o circuito principal consumido; se o consumo do circuito principal exceder esse limite, a descarga de ionistores começará a compensar despesas desnecessárias;
- ao desconectar o USB de 5V, a linha PWRFAIL é ativada, informando ao dispositivo de controle que a fonte externa desapareceu; o circuito de controle gera uma solicitação para interromper o processador ARM para executar o script de desligamento correto; durante todo esse tempo, a energia é fornecida pelo DA2;
- após a conclusão do procedimento de desligamento, o ARM emite um sinal de que tudo está pronto para a extinção e o circuito de controle define BATOFF, desativando o DA2; nesse estado, a caixa está localizada antes de a energia ser fornecida ao USB de 5V (consulte o ponto 1, exceto a carga residual em C8 e C9);
- se o ARM hesitou muito e não conseguiu fechar tudo até o sinal BATLOW, o circuito terá que ser desenergizado à força.
Se desejar, é fácil organizar qualquer outra lógica de controle do micro-UPS, por exemplo, aumentando o nível de habilitação BATLOW para 60% (selecionando R6 e R7), use-o como um sinal para parar, desconectando à força da descarga total C8 e C9.
No final, repasse rapidamente os parâmetros configuráveis do circuito. R1 e R2 determinam a tensão de saída de DA1, outra tensão pode exigir a substituição de C1, C2, C4-C6 e L1. As classificações de C8 e C9 determinam apenas os tempos de carga e descarga do no-break, eu pessoalmente tentei de 4,7 a 100 Farads, teoricamente não há restrições. R6 e R7 determinam o nível de ativação de BATLOW. A tensão da carga máxima dos ionistores depende da razão R8 / R9. R11 determina a corrente consumida a partir de 5V USB, na resistência indicada, o circuito consome 0,5A. A proporção R12 / R14 define um nível de queda de 5V USB, que será definido como falha de energia (PWRFAIL). R15 / R16 determina a tensão de saída do DA2 no modo de descarga.
Os sinais de saída do LTC3110 são feitos de acordo com o esquema de "dreno aberto" para não serem ligados a uma tensão de alimentação específica. No meu circuito, resistores pull-up para eles estão envolvidos no CPLD, não é um problema usá-los em qualquer microcontrolador moderno. Bem, se você decidir montar um circuito de controle no K155, precisará cuidar dos resistores.
Algumas palavras sobre o C16. A obtenção desse conhecimento levou mais tempo gasto na placa protótipo da UPS. Afinal, qual é o problema? Na folha de dados, o preto em inglês indica que se você deseja que a soma da corrente consumida pelo circuito principal e a corrente de carregamento dos ionistores não excedam o limite definido por R11, por favor, ligue o circuito principal a partir da saída RSENS. OK, concordou. E então mais interessante. Como o seu circuito pode ter qualquer coisa, até um curto-circuito (curto-circuito, é um curto-circuito, é curto-circuito), diz a ficha técnica, o LTC3110 está equipado com um circuito de proteção especial. OK, muito legal. E agora a parte divertida. Lemos mais a folha de dados: e para que o esquema de proteção não se engane, forneça a capacidade total da linha de energia NOT MORE, Karl, 10 microFarads. Pateta ... Por tudo sobre tudo, e não se negue nada. De fato, qualquer carga maior que 10uF quando as cunhas conectadas ... Não se deixe enganar, Basurman. Eu tive que fazer um pequeno atraso na chave no VT1, o que dá C16. Entendo que por algum tempo o VT1 não estará no modo principal, mas entre o céu e a terra (no sentido, entre o VCC e o GND), o que não é nada bom. Mas pelo menos funciona. Tal é o "novo hawa". Para os fanáticos pela pureza dos modos principais, acrescentarei que tentei não colocar C16, mas uma indutância de 1,5 μH em série com VT1 - tudo funciona muito bem.
Abaixo, dou uma imagem de uma placa de circuito impresso com o circuito descrito, é claro, a numeração dos componentes difere da indicada no diagrama de circuito - é transversal para toda a caixa.
Se você tiver dúvidas - por favor.