Переключение питания с основного на аккумуляторное, LTC4412 или вариант с компаратором Опции

[turnon]

Уже неоднократно тема обсуждалась, например здесь.

Уважаемый CADiLO приводил неоднократно такую схему переключения на дискретных компонентах:


И этот вариант актуален, потому что LTC4412 недешевая.

К сожалению я не схемотехник, во многом приходится идти наощупь. Прошу критики схемы и решения возникших вопросов, заранее благодарю за помощь.

Промоделировал все это дело в multicap, вот что выходит:

1. Непонятно, для чего два полевика встречно (VT1, VT2), на одном (VT2) работает также, паразитный диод не мешает.

2. Так и не удалось избавиться от сквозных токов в момент переключения. Они короткие, но все факт есть. И непонятно, как скажется на li-on прикладывание к нему 4.4В, хот и на короткое время.

3. Не поплохеет ли ST1S10 от прикладывания к ее выходу 4.2В от li-on на короткое время переключения?

3. Решена ли проблема со сквозными токами в кошерной LTC4412? В даташите нет графиков переключения.




Проект для multicap
 dc_or_bat.LTC4412.discrete.comparator.zip ( 8.51 килобайт ) Кол-во скачиваний: 56

[smalcom]

как скажется на li-on прикладывание к нему 4.4В, хот и на короткое время.

как вариант использовать АКБ с платой защиты.

[A. Fig Lee]

A где тут про "Сотовая связь"?

[smalcom]

A где тут про "Сотовая связь"?

напряжение питания))

[A. Fig Lee]

напряжение питания))

А.. То есть если телефон будет использован на кухне, то вопрос будет в разделе "Кулинария"?

[turnon]

A где тут про "Сотовая связь"?

А.. То есть если телефон будет использован на кухне, то вопрос будет в разделе "Кулинария"?

А здесь тоже не по теме?

И таких тем в ""Сотовая связь" много, потому как вопрос актуален, и что странно, ни кем еще полноценно не решен.



Сообщение отредактировал turnon - Apr 19 2015, 13:00

[A. Fig Lee]

А здесь тоже не по теме?

И таких тем в ""Сотовая связь" много, потому как вопрос актуален, и что странно, ни кем еще полноценно не решен.

Логично, что не решен. Потому что люди, которые ближе к этому вопросу и занимаются вопросами питания и батарей, могут в сотовую связь и не заходить.

[CADiLO]

1. Непонятно, для чего два полевика встречно (VT1, VT2), на одном (VT2) работает также, паразитный диод не мешает.

Для полной изоляции от входа. Так как может быть ситуация когда проключеный аккумулятор будет разряжаться через диод в VT1 и далее через входные цепи.
Или входным цепям поплохеет от АКБ.

2. Так и не удалось избавиться от сквозных токов в момент переключения. Они короткие, но все факт есть. И непонятно, как скажется на li-on прикладывание к нему 4.4В, хот и на короткое время.

А еще и вопрос зарядки не решен.
Вобщем вместо упрощенной схемы D1 - U1 ставим зарядное с гистерезисным выходом PоwerOK или формируем этот сигнал сами учитывая нужные задержки.
То есть просто разводим процесс переключения во времени таким образом чтобы переключение происходило без сквозных токов, но и не получалось снижения питания.

3. Не поплохеет ли ST1S10 от прикладывания к ее выходу 4.2В от li-on на короткое время переключения?

Не должно, если судить по ее структуре. А вообще я бы ее поставил вместо VT1-VT2 и использовал ее вывод отключения.

[turnon]

1. Непонятно, для чего два полевика встречно (VT1, VT2), на одном (VT2) работает также, паразитный диод не мешает.

Для полной изоляции от входа. Так как может быть ситуация когда проключеный аккумулятор будет разряжаться через диод в VT1 и далее через входные цепи.
Или входным цепям поплохеет от АКБ.

Вот тут не пойму, как именно. Приведите пожалуйста конкретный сценарий.

А еще и вопрос зарядки не решен.

MCP73831 или MCP73833 c выходом PG (PowerGood). MCP73833 вообще подороже, но ток зарядки 1А (MCP73831 - 0.5А) и корпус с "exposed pad", легче охлаждать.

Вобщем вместо упрощенной схемы D1 - U1 ставим зарядное с гистерезисным выходом PоwerOK или формируем этот сигнал сами учитывая нужные задержки.
То есть просто разводим процесс переключения во времени таким образом чтобы переключение происходило без сквозных токов, но и не получалось снижения питания.

А опасно ли прикладывание 4.4В к li-on на 100-200 мксек при переключении?
Чтобы исключить полностью сквозные токи надо будет емкость побольше на выходе всего хозяйства ставить.

3. Не поплохеет ли ST1S10 от прикладывания к ее выходу 4.2В от li-on на короткое время переключения?
Не должно, если судить по ее структуре. А вообще я бы ее поставил вместо VT1-VT2 и использовал ее вывод отключения.

Тут питание будет для всей схемы, 4.4В для SIM900 и через LDO LP2985 - 3.3В для STM32.

И еще делитель на выходе ST1S10 будет отъедать ток аккумулятора (делитель по даташиту ST1S10 рекомендуют общим сопротивлением не более 20K).

Сообщение отредактировал turnon - Apr 20 2015, 07:14

[spooki]

Дабы не разводить тем влезу со своей задачей.

Задача все та же
- Переключение между батарейным питанием (8.4В - 2хLi) и внешним (9-12В).
- низкое потребление в режиме работы от батареи. Для абсолютно автономных устройств с потреблением в спящем режиме <10мкА.


Что не нравится в схемах из тем форума и в микросхеме LTC4412.

- длительное время переключения (десятки микросекунд), что вызывает сквозные токи. Честно говоря не знаю насколько проблема актуальна, возможно она только теоретическая и надумана.
- высокий ток потребления.


Приведу свой вариант во вложенных файлах.
Схема основана на компараторе TLV3401 с потреблением 500нА и возможностью подачи на входы дифференциального напряжения равного (и больше) напряжению питания. Таким образом отпадает надобность в резистивных делителях от входных напряжений питания.
Компаратор имеет низкие допустимые выходные токи и немалое время срабатывания (>10мкс), Следовательно, как и в похожих схемах переключение питания необходимо производить с выхода одного компаратора дабы нивелировать разницу во времени включения одного и выключения другого питания.

Вся суть схемы потребление в режиме питания от батареи равно:
TLV3401 + утечки полевых транзисторов (которые в остальных схемах также не отменяются).

Итого плюсы схемы.

- собственное потребление (без учета утечек мощных полевых транзисторов) 0.5-1мкА.
- Время переключения питания <5мкс.
- в итоге дешевле LTC4412 (3.5$) против TLV3401 (1.5$) + биполярные транзисторы(ну может 0.5$).


На графиках бросок тока через транзистор M3 при переключении с внешнего на аккумуляторное это не сквозной ток а ток заряда емкости нагрузки (30мкф), сквозных токов практически нет.

Минусы схемы:
- конкретная схема не факт что заведется без аккумулятора просто от внешнего питания. Ну это не проблема можно добавить диод на питание компаратора от входа внешнего питания и развязать 1кОм с питанием нагрузки.
- схема занимает побольше места чем LTC1412


Прошу оценить схему. Всякие защиты пока отсутствуют.

Сообщение отредактировал spooki - Mar 21 2016, 13:24

Эскизы прикрепленных изображений

 

[_3m]

Что не нравится в схемах из тем форума и в микросхеме LTC4412.
- длительное время переключения (десятки микросекунд), что вызывает сквозные токи. Честно говоря не знаю насколько проблема актуальна, возможно она только теоретическая и надумана.
- высокий ток потребления.
...
Прошу оценить схему. Всякие защиты пока отсутствуют.

Общая ошибка: не моделируете реальные характеристики источников питания: батареи и ac/dc конвертора, также не учитываете влияние соединительных проводов. Даже шнур 2м от сетевого адаптера при "мгновенном" переключении уже гадит.

Гадость в ac/dc конверторе:
* медленно отрабатывает обратная связь. при включении нагрузки получается провал, часто ниже порога компаратора схемы переключения
* иногда на выходе стоит фильтрующий дроссель. "благодаря" дросселю получаем провал при переключении батарея - ac/dc
* при быстром снятии нагрузки (100%->0%) имеет место выброс напряжения как из-за ограниченного быстродействия ос так и из-за дросселя / проводов.

Гадость в батарее:
* при моделировании ошибочно принимают внутреннее сопротивление свежей батареи. нужно брать внутреннее сопротивление батареи разряженной на 95% т.е на грани работоспособности

В ltc пытались часть гадостей вылечить. Медленное переключение сделано намеренно.
Идеальный переключатель должен обеспечивать мягкий переход нагрузки между источниками, т.е в момент переключения ток должен забираться от обоих источников. При этом сквозного тока между источниками быть не должно, все должно уходить в нагрузку.

Сразу скажу что придумать схему идеального переключателя питания мне не удалось.

[spooki]

Гадость в ac/dc конверторе:
* медленно отрабатывает обратная связь. при включении нагрузки получается провал, часто ниже порога компаратора схемы переключения
* иногда на выходе стоит фильтрующий дроссель. "благодаря" дросселю получаем провал при переключении батарея - ac/dc
* при быстром снятии нагрузки (100%->0%) имеет место выброс напряжения как из-за ограниченного быстродействия ос так и из-за дросселя / проводов.

Схему выложил упрощенную.
Все что вы описали, конечно, имеет место быть. Я игрался с этими параметрами (внутренее сопротивление, индуктивности).
Выбросы должны подавляться схемами защиты (коих нет на схеме).

Идеальный переключатель должен обеспечивать мягкий переход нагрузки между источниками, т.е в момент переключения ток должен забираться от обоих источников. При этом сквозного тока между источниками быть не должно, все должно уходить в нагрузку.

Вы описываете схему работу диодов. С ключами такого не получить. Если переключатель основан на компараторе напряжения, как не получить сквозных токов если есть обратное напряжение на ключе и ключ открыт - чудеса!

Есть oring контроллеры, которые начинают закрываться если ток начинает течь в обратном направлении. При этом они имеют либо токовый датчик (резистор 10мОм) либо меряют на сопротивление открытого mosfet и срабатывают за 1 мкс, но они и жрут единиы мА.


П.С. Я прошу покритиковать схему. Общие проблемы моделирования мне известны.

Сообщение отредактировал spooki - Mar 21 2016, 14:45

[ArtemKAD]

Ну и что Вам мешает сделать схему из двух диодов Шотки?

[spooki]

Ну и что Вам мешает сделать схему из двух диодов Шотки?

Почти ничего.

Вот только при потреблении около 1ма от аккума диод уже жрет больше чем MOSFET.

Диод придется брать мощный т.к. схема в определенных режимах может жрать до 1A. При 1 А на диоде будет до 0.5 - 1 Вт. Да еще и падать 0.5 - 1в.
С такими параметрами диод имеет большой ток утечки что тоже будет подъехать батарею при работе от аккума.
Диоды с падением 0.2-0.3 в при 1А имеют утечки такие что светодиоды светятся на ура.

Да и схему хочется универсальную, чтобы ее можно было и с 1 li юзать. Мало ли что. Вот там точно про диоды забыть можно.

Сообщение отредактировал spooki - Mar 21 2016, 23:27

[ArtemKAD]

Вот только при потреблении около 1ма от аккума диод уже жрет больше чем MOSFET.

А у Вас что, среднее потребление 1мА? Или таки микроамперы из-за чего пришлось откапывать нанопотребляющую экзотику. Кроме того, в дежурном режиме все равно всё потеряешь на LDO.

Диод придется брать мощный т.к. схема в определенных режимах может жрать до 1A. При 1 А на диоде будет до 0.5 - 1 Вт. Да еще и падать 0.5 - 1в.

Не знал, что 1А это мощный диод. Вот если-бы был 10А, но да, пришлось бы почесать затылок.

С такими параметрами диод имеет большой ток утечки что тоже будет подъехать батарею при работе от аккума.
Диоды с падением 0.2-0.3 в при 1А имеют утечки такие что светодиоды светятся на ура.

Светятся при предельном обратном напряжении и температуре под 100 и выше градусов.

Кроме того, никто не мешает поставить разные диоды в двух цепях.

[spooki]

А у Вас что, среднее потребление 1мА? Или таки микроамперы из-за чего пришлось откапывать нанопотребляющую экзотику.

Режимов несколько есть около 20-50мкА, есть 1-3 мА, есть 0.5 - 1А. Приоритеты - это низкое потребление в спящем режиме и максимально долгая работа в режиме 0.5-1А.

Кроме того, в дежурном режиме все равно всё потеряешь на LDO.

Зависит от схемотехники. Если от LDO (или low power DCDC) питается только микроконтроллер, который жрет 1-2 мкА в спячке то не много и потеряется. Все остальное жрется напрямую от аккума следовательно наша цель минимизировать эти токи, в том числе по управлению питания.

Кроме того, никто не мешает поставить разные диоды в двух цепях.

Ну разные не получиться. Потребление и режимы работы не зависят от источника питания (внешнее или аккум).



И все-таки вернемся к универсальному решению хоть для 2 батарей хоть для 1.
Я ни разу не видел объединение через диоды с работой от 1 li батареи. Там могут быть проблемы с недостаточностью напряжения даже для формирования 3.3 В не говоря уже о работе с GSM модулями. И дело не только в падении на диоде(хотя оно в таком случае фатально т.к. напряжение может упасть ниже 3.3В легко), но еще и в скачке напряжения, ведь при токе через диод 1-2 мА на нем почти ничего не падает, и при скачкообразном изменении тока на 1-2 А мы получаем скачок напряжения на выходе 0.3-0.5 В что выходит за допустимые рамки броска напряжения по входу GSM модуля. Короче так никто не делает ибо это не работает.



П.С. Насчет паразитных индуктивностей проводом и прочего.
Я все-таки согласен что правильнее переключать питание не по разнице напряжений между 2 входами а по детектированию обратного тока через ключ. По сути мы как раз ловим момент когда прямой ток уже угас и сменил направление (в идеале ток равен 0) и в этот момент вырубаем источник. Это как раз избавляет нас от бросков напряжения. Так делают большинство oring контроллеров, но они довольно шустрые (есть и по 50-100 нс время переключения) и много(условно) жрут. На что железно надеется моя схема, схема из первого топика и прочие это вопрос. Я помоделировал с индуктивностями в районе 5мкГн,но вроде жить можно но без защит не обойтись.

Таже LTC4412. Вроде детектирует как раз обратное напряжение. Но во-первых до 32мВ через MOSFET в это время в батарею потечет уже 1А а то и выше (смотря какой ключ поставим), во-вторых с задержкой 10-30 мкс срабатывания и того больше. Время нарастания входного напряжения десятки-сотни микросекунд не сильно надуманы, ведь пользователь может сначала включить блок питания в розетку а потом врубить в устройство - резкий скачок обеспечен ибо на выходе большинства блоков питания емкости стоят не хилые. Ну тут можно конечно и схему плавного нарастания сгородить (но это тоже не очень просто при уже имеющимся напряжении на выходе схемы задержки).
Итого мы имеем переключение питания при обратном токе через аккум от 1 А. Хорошо ли это.

Кстати что интересно безусловно умные, но хитрые LT не рисуют нам ни одной диаграммы переключений. Только графики времен переключений, порогов и рекомендуемые схемы включения. Времянки - увы.

[ArtemKAD]

Зависит от схемотехники. Если от LDO (или low power DCDC) питается только микроконтроллер, который жрет 1-2 мкА в спячке то не много и потеряется.

Не зависит от схемотехники. Потеряется по любому больше чем на диоде.

[Александр1]

А почему бы не использовать аккумулятор в буферном режиме? Тогда и вопрос с переключением отпадает.
Стабилизатор стабилизирует напряжение 3,9-4,2 В (кому сколько нужно) и ограничивает зарядный ток для батареи. Если нужно, то можно еще ввести компенсацию по току при увеличении тока нагрузки (чтобы зарядный ток батареи не уменьшался). При отсутствии питания на входе стабилизатора батарея отсекается от стабилизатора N-канальным полевиком. И скорость переключения ключа высокая не нужна.

[spooki]

Не зависит от схемотехники. Потеряется по любому больше чем на диоде.

Да не о том я.

Если вся схема жрет 100мкА напрямую от батареи 8.4В.
А через LDO 3.3В потребление 2мкА.

То чего тут сравнивать.

[ArtemKAD]

Да не о том я.

Если вся схема жрет 100мкА напрямую от батареи 8.4В.
А через LDO 3.3В потребление 2мкА.

То чего тут сравнивать.

Если вся схема жрет столько, то потребление через LDO будет 102мкА или 520мкВт независимо от того есть диод или нет. Аналогично если даже через LDO протекает 2мкА и его собственное потребление равно нулю, потери на LDO или на LDO с диодом будут 10,2мкВт. Потери при этом на диоде будут 0,2-0,6мкВт.

[spooki]

Если вся схема жрет столько, то потребление через LDO будет 102мкА или 520мкВт независимо от того есть диод или нет. Аналогично если даже через LDO протекает 2мкА и его собственное потребление равно нулю, потери на LDO или на LDO с диодом будут 10,2мкВт. Потери при этом на диоде будут 0,2-0,6мкВт.

Это все ежу понятно. Сколько можно обсуждать этот LDO! Давайте по теме. Я прекрасно понимаю что Вы пишите.

Ваш основной аргумент:

Кроме того, в дежурном режиме все равно всё потеряешь на LDO

Я говорю, что в потребление LDO все не уперлось. И аргументировать, что нечего бороться за падение на диоде ибо все упадет на преобразователях необоснованны! Я же пишу от схемы зависит!

Структурная схема во вложении. некоторые цифры условны, просто для понимая. Допустим мы оптимизировали нагрузку и ничего уже с ней не можем сделать. Остается оптимизировать вредных потребителей. Вы можете увидеть что диод никогда не жрет меньше чем LDO особенно это чувствительно в активном и полуактивном режиме. До 5% от общего потребления схемы для элемента не несущего серьезный функционал - многова-то! Если его можно не сильно сложно заменить, почему бы это не сделать!

Сами понимаете, если все это посчитать для 1 Liбатареи все еще хуже для диода.
Да и вообще против диода для 1 LI я уже все высказал.

Сообщение отредактировал spooki - Mar 23 2016, 09:45

Эскизы прикрепленных изображений

 

[ArtemKAD]

Ладно, если уж вы такой настойчивый, ловите схему...

[vintick]

А подзарядка бат. нужна будет?

[spooki]

А подзарядка бат. нужна будет?

Да, и не простая и не только от сети но и от солнечной батареи. Поэтому комплексное красивое решение для всего сложно найти. Вот скрупулезно ко всему и отношусь.

[spooki]

ArtemKAD
Схема хороша своей простотой. Но при вынимании вилки из розетки (отключении 12В питания) транзистор откроется сразу(ну почти), напряжение на конденсаторе нагрузки 12В на батареи 8.4В. Думаю все ясно. Опять таки не знаю насколько это плохо, но не фонтан точно. А емкость может быть и большая, скажем 100-200 мкф.
Можно по входу 12В поставить кондер и расчитывать время удержания транзистора в закрытом состоянии но постоянно меняющихся неизвестных многовато.

-время разряда емкости нагрузки до 8.4В. Зависит от режима работы схемы
-разряд входной цепи питания 12В. Отключили мы его из розетки и разряд через блок питания с его емкостями, или выключили разъем из устройства.

Можно, конечно помудрить увеличив номиналы резисторов и поставив диод к затвору от 12В.

Но в итоге приходим опять к единственно верному варианту мониторить разность потенциалов нагрузки и источника и в нужный момент подключать (как все теже oring контроллеры и LTC4412 или банальный диод).

Сообщение отредактировал spooki - Mar 24 2016, 23:57

[ArtemKAD]

Схема хороша своей простотой. Но при вынимании вилки из розетки (отключении 12В питания) транзистор откроется сразу(ну почти), напряжение на конденсаторе нагрузки 12В на батареи 8.4В. Думаю все ясно. Опять таки не знаю насколько это плохо, но не фонтан точно. А емкость может быть и большая, скажем 100-200 мкф.
Можно по входу 12В поставить кондер и расчитывать время удержания транзистора в закрытом состоянии но постоянно меняющихся неизвестных многовато.

А можно банально поставить в несколько раз больший электролит параллельно батарее 8.4В разделив дельту напряжений на соотношение емкостей. Хотя чего там с той химией которая сама имеет ёмкость, собственно, от 100мкФ сделается....

[НЕХ]

когда-то мастерил подобную систему, с защитой от переполюсовки в придачу...
компаратор на LMV431
2 ключа по паре N-mosfet каждый, включенных оппозитно
фишка - в дополнительном контрольном mosfet с малым открывающем напряжением на затворе.
при помощи них обеспечивалась коммутация без перекрытия.

[spooki]

А можно банально поставить в несколько раз больший электролит параллельно батарее 8.4В разделив дельту напряжений на соотношение емкостей. Хотя чего там с той химией которая сама имеет ёмкость, собственно, от 100мкФ сделается...

Электролит вообще вещь в себе. У него утечка 0.01С*V при больших емкостях может сильно превысить все танцы с бубном над энергопотреблением переключателя питания.
Насчет разряда емкости в аккум. Я уже много раз говорил что не знаю насколько это негативно. Тоже предполагаю что все будет ок, но не уверен.