Целью настоящей статьи является ознакомление читателей с проблемами разработки подсистем батарейного питания малогабаритных носимых микроконтроллерных устройств, номенклатурой микросхем преобразователей батарейного питания, а также примерами схемной реализации этих подсистем.

Олег Николайчук "Схемотехника" N12, 2003

При создании современных малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий разработчикам практически всегда приходится решать проблему питания этих устройств. Современная элементная база, используемая при разработке микроконтроллерных изделий, позволяет создавать малогабаритные и легкие конструкции с низким энергопотреблением. Многие современные достаточно сложные микроконтроллерные системы легко размещаются в объеме стандартного спичечного коробка и весят всего несколько десятков грамм. Потребление современных сложных микроконтроллерных систем обычно составляет от 10 до 50 мА. Сложнее обстоит дело с напряжениями питания. Многие современные микроконтроллеры могут функционировать при напряжениях питания от +2,7 В до +3,6 В. Однако, более 70% современных датчиков нуждаются в питании +5 В и выше. Таким образом, разработчикам, как правило, приходится создавать подсистемы питания с несколькими выходными напряжениями. Однако главная проблема заключается не в этом. Главная проблема заключается в значительном весе и объеме современных малогабаритных батарей и аккумуляторов, имеющих достаточную емкость и номинальный рабочий ток. Так, например, для обеспечения напряжения питания +3,6 В наиболее часто в обычных переносных приборах используются три пальчиковые батарейки АА фирм Duracell или Vatra, т.к. они имеют значительный номинальный рабочий ток, большую емкость, наиболее доступны и надежны в эксплуатации. Однако такой комплект батареек весить около 60 грамм (без батарейного отсека) и занимает объем больше спичечного коробка. Получается, что подсистема питания только для одного напряжения занимает объем, соизмеримый с объемом собственно микроконтроллерной системы, а вес комплекта батареек даже превосходит вес собственно системы. Очевидно, что если нужно, например, иметь еще питание +5 В, то придется использовать не три батарейки, а четыре, соответственно с еще большим увеличением объема и веса. Выход очевиден: необходимо оснастить систему преобразователем напряжений и попытаться использовать только одну батарейку или аккумулятор. Однако и здесь не все так просто. Дело в том, что создание преобразователя напряжения, работающего при таком низком напряжении (от 1,5 В до 1 В) на дискретных элементах с приличными эксплуатационными характеристиками, задача не из простых. Кроме того, такой преобразователь также достаточно объемен и может занять место до 2 см3. Поэтому, в последнее время разработчики предпочитают использовать для таких целей промышленные интегральные преобразователи напряжений.

Более подробно ознакомимся с интегральными преобразователями напряжений и их параметрами на примере продукции фирмы MAXIM, которая является несомненным лидером в этой области. Фирма MAXIM[1] выпускает 375 типов различных микросхем преобразователей напряжений питания.

Все микросхемы преобразователей напряжения фирмы MAXIM по используемому принципу преобразования можно разделить на две группы: конденсаторные умножители напряжения (Capacitor Charge Pump) и индуктивные преобразователи (Inductor Based Converter). В свою очередь, индуктивные преобразователи можно разделить на преобразователи с внешним ключевым элементом и со встроенным ключевым элементом. Кроме того, все типы преобразователей подразделяются по величине выходного тока на: микромощные (менее 1 мА), маломощные (от 1 мА до 100 мА), средней мощности (от 100 мА до 2 А) и мощные (свыше 2 А).

С целью выбора оптимальных вариантов преобразователей для малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий воспользуемся инженерной методикой проектирования микроконтроллерных систем, неоднократно описанной на страницах нашего журнала [2-3].

Для начала разработаем критерии отбора микросхем.

Главным критерием отбора микросхем преобразователей напряжения для малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий является работоспособность при пониженных входных напряжениях, ниже 3 В.

Как мы уже отмечали, наиболее критичными показателями для малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий являются вес и объем, поэтому вторым критерием является исполнение микросхем в малогабаритных корпусах (чMAX, SSOP, QFP, TSSOP и т.п.) с количеством выводов не более 16 (эта цифра умышленно взята завышенной для предварительного отбора).

Из требования к минимальному весу и габаритам разрабатываемых изделий следует также, и третий критерий — отобранные микросхемы должны иметь встроенный коммутирующий (ключевой) элемент.

Четвертый критерий — способность микросхемы обеспечивать выходной ток более примерно 50 мА.

Пятый критерий — способность микросхемы либо обеспечивать выходное напряжение в районе +5В (для систем с прямым преобразованием), либо способность удваивать напряжение питания (для систем с двухкаскадным преобразованием).

Шестой критерий также очевиден, — микросхема должна иметь минимум элементов обвязки, которые должны иметь минимальные размеры и желательно существовать в SMD исполнении (для поверхностного монтажа).

Исходя из приведенных выше критериев, из выпускаемых фирмой MAXIM 375 типов, нами был произведен предварительный отбор микросхем — претендентов. Отобранные микросхемы были разделены на 2 группы по принципу преобразования и основные их сведения приведены в табличном виде.

В таблице 1 представлены удовлетворяющие критериям конденсаторные преобразователи напряжения. К сожалению, из 40 выпускаемых фирмой MAXIM конденсаторных преобразователей удается отобрать только 11 микросхем-претендентов. К таблице 1 следует сделать два примечания. В графе "Выходное напряжение" указано только положительное выходное напряжение, хотя многие из отобранных микросхем могут формировать или удвоенное входное напряжение, или инвертировать входное напряжение. В графе "Цена" указана цена производителя при отгрузке партией более тысячи штук.

Таблица 1.

В таблице 2 представлены индукционные преобразователи напряжения, удовлетворяющие вышеизложенным критериям. Микросхемы — претенденты приведены по возрастанию минимально допустимого входного напряжения. Количество этих преобразователей достаточно велико, что создает определенные трудности для выбора оптимальных вариантов. В графе "Цена" таблицы 2 указана цена производителя при отгрузке партией более тысячи штук.

Таблица 2.

Для вторичного анализа отобранных микросхем — претендентов необходимо выработать дополнительные критерии отбора по каждой из приведенных в таблицах 1 и 2 групп. В следующей части статьи будут выработаны эти критерии, проведен вторичный анализ, а также выбраны оптимальные варианты микросхем, приведены принципиальные схемы включения и их описанием.

Олег Николайчук

Литература:

1. http://www.maxim-ic.com
2. О.Николайчук, Схемотехника универсальных технологических контроллеров (цикл статей) // Схемотехника, 2001, №9 - 2002, №9.
3. О.Николайчук, Системы малой автоматизации // М.: "СОЛОН-Пресс",2003, -256с., илл.

версия для печати