Sistema de controlador de caminho de energia usando ltc4412 para alternar entre energia primária e auxiliar

Existem muitas situações em que nosso projeto de circuito tem duas fontes de alimentação, como um adaptador e uma bateria, ou pode até ser duas outras fontes de alimentação de duas tomadas diferentes. O requisito da aplicação pode ser algo como deve sempre precisar permanecer LIGADO durante falhas de energia usando uma fonte de energia adicional disponível. Por exemplo, um circuito que é alimentado por um adaptador precisa mudar para uma bateria ou fonte de alimentação auxiliar sem interromper a operação do circuito no caso de falha de energia.

Nestes casos mencionados acima, um circuito controlador de caminho de energia será útil. Basicamente, um circuito de controle do caminho de alimentação alternará a alimentação principal da placa de circuito, dependendo da fonte de alimentação disponível, controlando o caminho de onde a energia entra no circuito.

Neste projeto, construiremos um sistema de controlador de caminho de energia dedicado que irá mudar a entrada de energia da carga da energia primária para a energia auxiliar durante a falha de energia primária e também alterar novamente a fonte de energia auxiliar para primária durante a fase de restauração da energia primária. Este é um circuito muito essencial a ser construído para suportar o estado de aplicação da fonte de alimentação ininterrupta durante a mudança da alimentação de entrada de primária para auxiliar ou auxiliar para primária. Em outras palavras, ele pode funcionar como um UPS para projetos Arduino e Raspberry Pi e também pode ser usado para carregar várias baterias a partir de um único carregador.

Requisitos

O requisito do circuito é especificado como abaixo-

1. A corrente de carga será de até 3A.
2. A tensão máxima será de 12 V para um adaptador (alimentação primária) e 9 V como uma bateria (alimentação secundária)

LTC4412 Power Path Controller

O controlador principal selecionado para o circuito é o LTC4412 da Analog Devices (tecnologias lineares). Este é um sistema controlador de caminho de energia de baixa perda que alterna automaticamente entre duas fontes DC e simplifica as operações de compartilhamento de carga. Como este dispositivo suporta faixas de voltagem de adaptador de 3 volts a 28 volts e suporta faixas de voltagem de bateria de 2,5 volts a 25 volt. Assim, atende ao requisito acima da tensão de entrada. Na imagem abaixo, o diagrama de pinagem do LTC4412 é mostrado-

No entanto, ele possui duas fontes de entrada, uma é a principal e a outra é a auxiliar. A fonte de alimentação primária (adaptador de parede em nosso caso) tem prioridade sobre a fonte de alimentação auxiliar (bateria neste caso). Portanto, sempre que a fonte de alimentação primária estiver presente, a fonte de alimentação auxiliar será automaticamente desconectada. A diferença entre essas duas tensões de entrada é de apenas 20mV. Assim, se a fonte de alimentação primária ficar 20mV mais alta do que a fonte de alimentação auxiliar, a carga será conectada à fonte de alimentação primária.

O LTC4412 possui dois pinos adicionais - controle e status. O pino de controle pode ser usado para controlar digitalmente a entrada para forçar o MOSFET a desligar, enquanto o pino de status é um pino de saída de dreno aberto que pode ser usado para absorver 10uA de corrente e pode ser usado para controlar um MOSFET adicional com um resistor externo. Isso também pode ser conectado a um microcontrolador para obter o sinal de presença da fonte de alimentação auxiliar. LTC4412 também fornece proteção de polaridade reversa para a bateria. Mas como estamos trabalhando com fontes de alimentação, aqui você também pode verificar outros projetos como proteção contra sobretensão, proteção contra sobrecarga de corrente, proteção de polaridade reversa, proteção contra curto-circuito, controlador Hot Swap, etc. que podem ser úteis

Outro componente é o uso de dois MOSFETs de canal P para controlar as fontes de alimentação auxiliar e primária. Para tal, FDC610PZ é utilizado como canal P, MOSFET -30V, -4,9A, adequado para operação de 3A de chaveamento de carga. Possui uma baixa resistência RDS _ON de 42 mili-ohms, o que o torna adequado para esta aplicação sem um dissipador de calor adicional.

Portanto, o BOM detalhado é-

1. LTC4412
2. MOSFET P-Channel- FDC610PZ - 2 pcs
3. Resistor de 100k
4. Capacitor 2200uF
5. Conector Relimate - 3 pcs
6. PCB

Diagrama de circuito do controlador de caminho de alimentação LTC4412

O circuito tem duas condições de operação, uma é a perda de energia primária e a outra é a recuperação da energia primária. O trabalho principal é feito pelo controlador LTC4412. O LTC4412 conecta a carga de saída com a alimentação auxiliar sempre que a tensão da alimentação primária cair 20 mV menos do que a tensão da alimentação auxiliar. Nessa situação, o pino de status absorve a corrente e liga o MOSFET auxiliar.

Em outras condições de trabalho, sempre que a entrada de alimentação primária fica 20 mV acima da fonte de alimentação auxiliar, a carga é novamente conectada à fonte de alimentação primária. O pino de status então vai para a condição de dreno aberto e desligará o MOSFET do canal P.

Essas duas situações não apenas mudam automaticamente a fonte de alimentação dependendo da falha de alimentação primária, mas também fazem a transição se a tensão primária cair significativamente.

O pino de detecção fornece energia para o circuito interno se o VIN não receber nenhuma voltagem e também detecta a voltagem da unidade de fonte de alimentação primária.

O capacitor de saída maior de 2200uF 25V fornecerá filtragem suficiente durante as fases de desligamento. No pequeno período de tempo em que a comutação ocorrerá, o capacitor fornecerá energia para a carga.

Design de placa PCB

Para testar o circuito, precisamos de um PCB porque o CI LTC4412 está no pacote SMD. Na imagem abaixo, o lado superior da placa é mostrado-

O design é feito como uma placa de um lado. Também são necessários jumpers de 3 fios no PCB. Duas entradas opcionais adicionais e pinos de saída também são fornecidos para as operações relacionadas ao controle e status. Uma unidade de microcontrolador pode ser conectada nesses dois pinos, se necessário, mas não faremos isso neste tutorial.

Na imagem acima, o lado inferior do PCB é mostrado, onde dois MOSFETs de Q1 e Q2 são exibidos. No entanto, os MOSFETs não requerem dissipadores de calor adicionais, mas no design, o dissipador de calor PCB é criado. Isso reduzirá a dissipação de energia pelos MOSFETs.

Teste de controlador de caminho de energia

As duas imagens acima mostram o PCB do controlador de caminho de energia que foi projetado anteriormente. No entanto, o PCB é uma versão gravada à mão e servirá ao propósito. Os componentes estão sendo soldados corretamente no PCB.

Para testar o circuito, uma carga DC ajustável é conectada à saída que está consumindo quase 1 Amp de corrente. Se você não tiver uma carga DC digital, também pode construir sua própria carga DC ajustável usando o Arduino.

Para fins de teste, enfrentei uma falta de bateria (é COVID-19 lockdown aqui) e, portanto, uma fonte de alimentação de bancada é usada com duas saídas. Um canal está configurado para 9V e o outro está configurado para 12V. O canal de 12 V é desconectado para ver o resultado na saída e reconectado o canal para verificar o desempenho do circuito.

Você pode verificar o vídeo no link abaixo para uma demonstração detalhada de como o circuito funciona. Espero que tenham gostado do projeto e aprendido algo útil. Se você tiver alguma dúvida, deixe-a na seção de comentários abaixo ou use nossos fóruns para outras questões técnicas.