Вопрос не праздный, микросхем и микроконтроллеров работающих от напряжения 3.3V становится все больше.
В случае необходимости питания микроконтроллера в автономном режиме (большую часть времени которого микроконтроллер спит, просыпаясь лишь для выполнения необходимых действий), к преобразователю появляется еще одно требование - низкое собственное энергопотребление - ведь кнопку отключения питания на таком устройстве не предусмотреть в принципе.
Диапазон рабочих напряжений для Li-ion аккумулятора составляет 4.3V-2.8V
как из такого диапазона напряжений получить 3.3V
Очевидно, что максимальный КПД (а значит и длительность работы от батареи в автономном режиме) можно получить только от импульсного преобразователя который при:
- Uвх > 3.3V работает как понижающий (step-down) преобразователь;
- Uвх < 3.3V работает как повышающий (step-up) преобразователь;
Про модуль преобразователя "который смог" и пойдет речь в данной статье.
Плату заказывал в Китае, цена вопроса около 100 рублей
Срок доставки 8 (восемь) дней.
Модуль выполнен на базе микросхемы TPS63020 (корпус VSON-14)
Характеристики микросхемы TPS63020
- диапазон входных напряжений 1.8V....5.5V
- выходное напряжение 1.2V....5.5V (настраивается);
- КПД до 96%;
- 3А выходной ток для напряжения 3.3V в режиме "понижайки" (VIN=3.6V...5.5V);
- >2A выходной ток для напряжения 3.3V в режиме "повышайки" (VIN>2.5V);
- автоматическое переключение между Step Down и
Boost Mode режимами; - ограничение выходного тока;
- собственный ток потребления 50μA (звучит заманчиво);
- есть отдельный энергосберегающий режим (про него чуть позже);
- защита от перегрева;
- выпускается в 14-контактном корпусе VSON размером 3×4мм;
Диапазон входных напряжений 1.8V....5.5V как бы намекает, что тут можно использовать и 2-3 обычные 1.5V батарейки или 2-3 аккумулятора NiCd/NiMH с напряжением 1.2V, но меня интересует только Li-ion банка - поэтому все тесты будут проводится в диапазоне входных напряжений 2.5V....4.5V
Функциональная блок схема TPS63021
Индуктивность подключается к выводам L1 и L2. Внутри можно обнаружить 4 N-канальных MOSFET транзистора и контроллер, который в зависимости от потребностей активирует работу либо понижающего либо повышающего преобразователей:
Ненужный в преобразовании MOSFET, контроллер превращает в перемычку.
Схема подключения из документации:
Выходное напряжение микросхемы задается с помощью резисторов R1/R2 - но здесь Китайцы уже обо всем позаботились - на модуле есть 3 пары готовых делителей напряжения на 5V 4.2V 3.3V, модули продаются с уже капнутой в нужном месте капле припоя. (Переделать модуль на другое выходное напряжение особого труда не составит. Паяем штыревые разъемы и приступаем к тестированию.
Тестирование TPS63020:
Результаты тестирования на макетной плате объективными считать нельзя но все же....
Без нагрузки:
- вход 4.5V
- потребляемый ток 7mA (плату нужно доработать
напильникомпаяльником) - выход 3.28V
На выходе нагрузка сопротивление 10Om
Напряжение на выходе "просело" до 3.17V и остаётся стабильным при снижении напряжения до 2.15V
- вход 2.15V - 4.5V / выход 3.2V
Стабилизатор работает. Что с КПД?
Видно, что в режиме понижающего преобразователя TPS63020 работает более эффективно, но в любом случае литий-ионный аккумулятор он может использовать до конца.
Модифицируем плату под автономное питание
Вывод PS/SYNC можно использовать для выбора различных режимов работы. Режим энергосбережения используется для повышения эффективности при небольшой нагрузке. Для включения режима энергосбережения необходимо установить значение PS/SYNC на низкий уровень. Если PS/SYNC установлен на низком уровне, то режим энергосбережения включается, когда средний ток катушки индуктивности становится ниже примерно 100 мА. В этот момент преобразователь работает с пониженной частотой переключения и минимальным током покоя для поддержания высокой эффективности. Подробная информация о работе в режиме энергосбережения приведена на рисунке 6. В режиме энергосбережения выходное напряжение контролируется с помощью компаратора по пороговым значениям comp low и comp high. Когда устройство переходит в режим энергосбережения, преобразователь прекращает работу и выходное напряжение падает. Наклон выходного напряжения зависит от нагрузки и значения выходной емкости. Когда выходное напряжение падает ниже минимального порогового значения comp, установленного на 2,5% выше VOUT, устройство снова повышает выходное напряжение, начиная работу с использованием запрограммированного среднего тока катушки индуктивности.
Плату я покупал не для подключения резисторов,
ESP32 потребляет около 80mA когда не обменивается данными по Wi-Fi и около 120mA при отправке данных;
ESP8266 потребляет около 80mA когда обменивается данными по Wi-Fi;
Эксплуатировать данные платформы от батарей целесообразно, только если класть их в глубоких сон. Плата подключилась к домашней вафле, о чем-то сообщила и снова засыпает. Но, сам стабилизатор тоже придется переделать:
Во первых убираем светодиод:
Во вторых капаем каплю припоя на перемычку PS
В третьих необходимо удалить этот резистор:
В таком варианте без нагрузки энергопотребление модуля при отключенной нагрузке снижается до 0.036mA (36μA) при входном напряжении 4.2V
Тестируем КПД касательно подключенной ESP32/ESP8266. Для этого воспользуемся резистором в 3.3/0.08 = 41 Om (я подключил 3 резистора по 120 Om параллельно)
ESP32 не отвалилась от сети Wi-Fi даже при снижении напряжения до 2.5V
Мне модуль преобразователя на XL63020-3.3/4,2/5,0 на микросхеме TPS63020 понравился. Сложно придумать что-то лучше для питания микроконтроллера от Li-ion аккумулятора.
Реклама: ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН: 7703380158
Модуль XL63020-3.3/4,2/5,0 на Али
На написание этой статьи у меня ушел почти целый день - не забываем ставить лайк (иначе Дзен его больше ни кому не покажет, а писать в пустоту мне как автору не очень интересно).
Оглавление канала тут
Всем удачи!
