Структуры питания на понижающих преобразователях.
Увеличение числа элементов питания – один из способов повышения энергетической ёмкости источника питания. Того же можно достигнуть, используя и одну батарею, но с большим форм-фактором. Этот вариант сложно реализовывать в малогабаритных корпусах СИ.
Особенности элементов питания не позволяют включать их параллельно – только последовательным включением батарей можно увеличить суммарную ёмкость. Такое включение увеличивает напряжение первичного питания, поэтому для получения стабилизированных напряжений указанных выше значений потребуется использовать понижающие преобразователи: линейный (LDO) или переключательный (Step-Down Regulators).
На рис. 8.2.2 показана типовая структура с понижающим преобразователем. Эта структура использует в качестве источника питания четыре цилиндрические одноэлементные 1,5В-батареи с диапазоном напряжений питания (3,6…6,0) В или многоэлементную призматическую 9В-батарею типа «Крона» с диапазоном (8,4…11,5) В.
Рисунки 8.2. Типовые структуры питания портативных измерителей кпкэ
Использование только одного LDO-преобразователя без КП малоэффективно, т.к. при свежих батареях, когда питающее напряжение источника максимально, большая часть энергии рассеивается на самом LDO-стабилизаторе и только на исходе жизненного цикла батареи к.п.д. преобразователя возрастает до своего максимума. Подключение в структуру КП позволяет существенно повысить к.п.д. и с ним продолжительность работы изделия от одной зарядки. КП имеет к.п.д. >90 %. Характерный шум в спектре его выходного напряжения хорошо подавляется последующим LDO-стабилизатором. Возможный недостаток использования КП – излучаемая высокочастотная помеха, влияние которой минимизируется путём грамотной разводки печатных плат и другими конструктивными и схемотехническими методами.
Структуры питания на понижающе-превышающих преобразователях.
При использовании в подсистеме питания трёх одноэлементных источников структура усложняется. Дело в том, что диапазон изменения напряжений такого источника (2,7…4,5) В. Верхнее значение больше, а нижнее меньше требуемого выходного 3,3 В (как в нашем примере). Использовать понижающие или повышающие преобразователи в этой ситуации невозможно. В подобных случаях используются понижающе-повышающие преобразователи (рис.8.2.3). Это относительно современные разработки и предлагаются на рынке фирмами Linear Technology, Texas Instruments, Austriamicrosystems, National Semiconductor, Analog Devices, STM и другими.
Особенностью этих преобразователей является возможность плавного перехода из понижающего режима в режим повышения входного напряжения. Некоторые изделия допускают также и управляемое переключение режимов.
Структура питания с преобразователем, имеющим входы резервных источников.
В особо ответственных случаях питание измерителей осуществляют от нескольких источников: основного и дополнительных (рис. 8.2.4). Дополнительные выполняют роль резерва. В настоящее время получили распространение преобразователи, к которым могут подключаться три первичных источника: с напряжением 5 В (питание от USB-порта компьютера), с напряжением (5…12) В от внешнего сетевого адаптера и литиевая батарея (2,7…4,2 В). Питание приборов осуществляется от батареи, которая всё время находится в режиме подзаряда от других внешних источников. При использовании такого решения необходимо иметь в виду, что аккумуляторы не всегда могут заряжаться при низких температурах!
Расширенная структура подсистемы питания.
На рис.8.2.5 представлена расширенная структурная схема подсистемы питания, которая содержит дополнительно инвертирующий преобразователь для формирования напряжения отрицательной полярности (для АЦП, операционных усилителей и др.) и источник опорного напряжения для АЦП или других нагрузок.
Выводы по подразделу питания для портативных СИ КПКЭ.
Проектирование устройства питания для портативных приборов (использующих ЭИЭ) – не простая задача даже в современных условиях, когда на рынке представлены в широком ассортименте, как первичные источники энергии, так и вторичные преобразователи. Создать такую подсистему – серьёзная инженерная задача. Основная трудность заключается в том, что условия эксплуатации портативных приборов, предназначенных для проведения энерготехнологического аудита, могут быть самыми разными. В первую очередь приходится учитывать продолжительность аудита и температурный диапазон эксплуатации. В ряде случаев полезно учитывать также цену и условия приобретения (сроки, надёжность поставщика) ЭИЭ.
Практическая рекомендация: при проектировании ПП для портативных СИ полезно это делать с таким расчётом, чтобы можно было оперативно менять качество применяемых ЭИЭ. Другими словами, конструкция СИ должна позволять подключение ЭИЭ различных видов - как батарей, так и аккумуляторов с различными характеристиками.