ระบบควบคุมพาวเวอร์พา ธ โดยใช้ ltc4412 เพื่อสลับระหว่างไฟหลักและไฟเสริม

มีหลายสถานการณ์เมื่อการออกแบบวงจรของเรามีแหล่งจ่ายไฟสองแหล่งเช่นอะแดปเตอร์และแบตเตอรี่หรืออาจเป็นแหล่งจ่ายไฟอื่น ๆ สองช่องจากเต้าเสียบที่แตกต่างกันสองช่อง ข้อกำหนดของแอปพลิเคชันอาจเป็นสิ่งที่ควรจะต้องเปิดอยู่เสมอในระหว่างที่ไฟดับโดยใช้และแหล่งจ่ายไฟเพิ่มเติมที่มีอยู่ ตัวอย่างเช่นวงจรที่จ่ายไฟโดยใช้อะแดปเตอร์จำเป็นต้องเปลี่ยนไปใช้แบตเตอรี่หรือแหล่งจ่ายไฟเสริมโดยไม่รบกวนการทำงานของวงจรในกรณีที่ไฟฟ้าดับ

ในกรณีที่กล่าวมาข้างต้นวงจร Power Path Controller จะเป็นประโยชน์ โดยทั่วไปวงจรควบคุมพาวเวอร์พาวเวอร์จะเปลี่ยนกำลังไฟหลักของแผงวงจรขึ้นอยู่กับแหล่งจ่ายไฟที่มีโดยการควบคุมเส้นทางจากที่ที่มีไฟเข้ามาในวงจร

ในโครงการนี้เราจะสร้างระบบควบคุมพาวเวอร์พาวเวอร์โดยเฉพาะซึ่งจะเปลี่ยนอินพุตพลังงานของโหลดจากไฟหลักไปเป็นไฟเสริมระหว่างไฟดับหลักและยังเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟสำรองเป็นหลักอีกครั้งในระหว่างเฟสที่กำลังเรียกคืนพลังงานหลัก. นี่เป็นวงจรที่จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องสร้างขึ้นเพื่อรองรับสถานะการใช้งานแหล่งจ่ายไฟอย่างต่อเนื่องในระหว่างที่กำลังไฟฟ้าเข้ากำลังเปลี่ยนจากหลักเป็นอุปกรณ์เสริมหรืออุปกรณ์เสริมเป็นหลัก กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือสามารถทำงานได้เหมือนกับUPS สำหรับ Arduino และ Raspberry Pi Projects และยังสามารถใช้กับแบตเตอรี่หลายก้อนที่ชาร์จจากเครื่องชาร์จเพียงเครื่องเดียว

ข้อกำหนด

ข้อกำหนดของวงจรระบุไว้ด้านล่าง -

กระแสโหลดจะสูงถึง 3A
แรงดันไฟฟ้าสูงสุดคือ 12V สำหรับอะแดปเตอร์ (ไฟหลัก) และ 9V เป็นแบตเตอรี่ (พลังงานสำรอง)

LTC4412 Power Path Controller

คอนโทรลเลอร์หลักที่เลือกใช้สำหรับวงจรคือLTC4412 จาก Analog Devices (เทคโนโลยีเชิงเส้น) นี่คือระบบคอนโทรลเลอร์พาวเวอร์พาวเวอร์ที่มีการสูญเสียต่ำซึ่งจะสลับไปมาระหว่างแหล่งจ่ายไฟ DC สองแหล่งโดยอัตโนมัติและช่วยลดความยุ่งยากในการแชร์โหลด เนื่องจากอุปกรณ์นี้รองรับแรงดันไฟฟ้าของอะแดปเตอร์ตั้งแต่ 3 โวลต์ถึง 28 โวลต์และรองรับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ตั้งแต่ 2.5 โวลต์ถึง 25 โวลต์ ดังนั้นจึงตอบสนองความต้องการข้างต้นของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ในภาพด้านล่างแผนภาพพินเอาต์ของ LTC4412จะแสดงขึ้น -

อย่างไรก็ตามมีแหล่งอินพุตสองแหล่งแหล่งหนึ่งเป็นแหล่งกำเนิดหลักและอีกแหล่งหนึ่งเป็นแหล่งข้อมูลเสริม แหล่งพลังงานหลัก (อะแดปเตอร์ติดผนังในกรณีของเรา) มีลำดับความสำคัญเหนือแหล่งพลังงานเสริม (แบตเตอรี่ในกรณีนี้) ดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่มีแหล่งพลังงานหลักแหล่งจ่ายไฟเสริมจะถูกตัดการเชื่อมต่อโดยอัตโนมัติ ความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตทั้งสองนี้คือ 20mV เท่านั้น ดังนั้นหากแหล่งพลังงานหลักได้รับสูงกว่าแหล่งพลังงานเสริม 20mV โหลดจะเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานหลัก

LTC4412 มีหมุดเพิ่มเติมสองตัว - การควบคุมและสถานะขาควบคุมสามารถนำมาใช้ในการควบคุมแบบดิจิทัลป้อนข้อมูลเพื่อบังคับ MOSFET ที่จะปิดในขณะที่ขาสถานะเป็นขาเอาท์พุทเปิดท่อระบายน้ำที่สามารถนำมาใช้ในการจม 10uA ในปัจจุบันและสามารถนำมาใช้ในการควบคุม MOSFET เพิ่มเติมกับ ตัวต้านทานภายนอก นอกจากนี้ยังสามารถเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อรับสัญญาณการมีอยู่ของแหล่งพลังงานเสริม LTC4412 ยังมีการป้องกันกระแสไฟฟ้าย้อนกลับสำหรับแบตเตอรี่ แต่เนื่องจากเรากำลังทำงานกับอุปกรณ์จ่ายไฟคุณสามารถตรวจสอบการออกแบบอื่น ๆ เช่นการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินการป้องกันกระแสเกินการป้องกันกระแสไฟฟ้าย้อนกลับการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรตัวควบคุม Hot Swap ฯลฯ

ส่วนประกอบอื่นคือการใช้ P-Channel MOSFET สองตัวสำหรับควบคุมแหล่งจ่ายไฟเสริมและแหล่งพลังงานหลัก เพื่อจุดประสงค์นี้FDC610PZใช้เป็น P channel, -30V, -4.9A MOSFET ที่เหมาะสำหรับการทำงานของ 3A ของการสลับโหลด มีความต้านทานRDS _ONต่ำที่42 mili-ohms ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานนี้โดยไม่ต้องใช้อ่างความร้อนเพิ่มเติม

ดังนั้น BOM โดยละเอียดคือ -

LTC4412
P-Channel MOSFET- FDC610PZ - 2 ชิ้น
ตัวต้านทาน 100k
2200uF ตัวเก็บประจุ
ขั้วต่อ Relimate - 3 ชิ้น
PCB

LTC4412 แผนภาพวงจรควบคุมพาวเวอร์พา ธ

วงจรมีสภาพการใช้งานสองหนึ่งคือการสูญเสียของพลังงานหลักและอีกคนหนึ่งคือการฟื้นตัวของพลังงานหลักงานหลักทำโดยคอนโทรลเลอร์ LTC4412 LTC4412 เชื่อมต่อโหลดเอาต์พุตกับไฟเสริมเมื่อใดก็ตามที่แรงดันไฟฟ้าหลักต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าเสริม 20 mV ในสถานการณ์นี้พินสถานะจะจมลงในปัจจุบันและเปิด MOSFET เสริม

ในสภาพการทำงานอื่น ๆ เมื่อใดก็ตามที่อินพุตไฟฟ้าหลักสูงกว่าแหล่งจ่ายไฟเสริม 20 mV โหลดจะเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานหลักอีกครั้ง จากนั้นพินสถานะจะเข้าสู่สภาวะ open-drain และจะปิด P-Channel MOSFET

สถานการณ์ทั้งสองนี้ไม่เพียง แต่เปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟโดยอัตโนมัติโดยขึ้นอยู่กับความล้มเหลวของไฟฟ้าหลัก แต่ยังทำการสลับหากแรงดันไฟฟ้าหลักลดลงอย่างมาก

พินรับความรู้สึกจะให้พลังงานแก่วงจรภายในหาก VIN ไม่ได้รับแรงดันไฟฟ้าใด ๆ และยังตรวจจับแรงดันไฟฟ้าของหน่วยจ่ายไฟหลัก

ตัวเก็บประจุเอาต์พุตที่ใหญ่กว่า 2200uF 25V จะให้การกรองที่เพียงพอในระหว่างขั้นตอนการปิดสวิตช์ ในช่วงเวลาสั้น ๆ เมื่อสวิตช์เกิดขึ้นตัวเก็บประจุจะให้พลังงานแก่โหลด

การออกแบบบอร์ด PCB

ในการทดสอบวงจรเราต้องใช้ PCB เนื่องจาก LTC4412 IC อยู่ในแพ็คเกจ SMD ในภาพด้านล่างด้านบนของบอร์ดจะแสดง -

การออกแบบจะทำเป็นบอร์ดด้านเดียว นอกจากนี้ยังมีจัมเปอร์ลวด 3 ตัวใน PCB นอกจากนี้ยังมีอินพุตเสริมและพินเอาต์พุตเพิ่มเติมอีกสองตัวสำหรับการควบคุมและการดำเนินการที่เกี่ยวข้องกับสถานะ หน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถเชื่อมต่อกับหมุดทั้งสองนี้ได้หากจำเป็น แต่เราจะไม่ทำเช่นนั้นในบทช่วยสอนนี้

ในภาพด้านบนด้านล่างของ PCB จะแสดงตำแหน่งที่แสดง MOSFET สองตัวของ Q1 และ Q2 อย่างไรก็ตาม MOSFET ไม่จำเป็นต้องใช้ฮีตซิงก์เพิ่มเติม แต่ในการออกแบบแผงระบายความร้อน PCB ถูกสร้างขึ้น สิ่งเหล่านี้จะช่วยลดการกระจายพลังงานใน MOSFETs

การทดสอบ Power Path Controller

สองภาพด้านบนแสดง PCB ของตัวควบคุมพาวเวอร์พา ธ ที่ออกแบบไว้ก่อนหน้านี้ อย่างไรก็ตาม PCB เป็นรุ่นแกะสลักด้วยมือและจะตอบสนองวัตถุประสงค์ ส่วนประกอบถูกบัดกรีอย่างถูกต้องใน PCB

ในการทดสอบวงจรโหลด DC แบบปรับได้จะเชื่อมต่อผ่านเอาต์พุตที่วาดกระแสเกือบ 1 แอมป์ หากคุณไม่มีโหลด Digital DC คุณสามารถสร้างโหลด DC แบบปรับได้ของคุณเองโดยใช้ Arduino

เพื่อจุดประสงค์ในการทดสอบฉันประสบปัญหาแบตเตอรีขาดแคลน (นี่คือการล็อก COVID-19 ที่นี่) และด้วยเหตุนี้จึงใช้แหล่งจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะที่มีเอาต์พุตสองตัว ช่องหนึ่งตั้งค่าเป็น 9V และอีกช่องหนึ่งตั้งไว้ที่ 12V ช่อง 12V ถูกตัดการเชื่อมต่อเพื่อดูผลลัพธ์ที่เอาต์พุตและเชื่อมต่อช่องใหม่เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของวงจร

คุณสามารถดูวิดีโอที่เชื่อมโยงด้านล่างสำหรับการสาธิตโดยละเอียดเกี่ยวกับการทำงานของวงจร ฉันหวังว่าคุณจะสนุกกับโครงการและเรียนรู้สิ่งที่เป็นประโยชน์ หากคุณมีคำถามใด ๆ โปรดทิ้งไว้ในส่วนความคิดเห็นด้านล่างหรือใช้ฟอรัมของเราสำหรับคำถามทางเทคนิคอื่น ๆ