Circuito de cargador LiFePo4 de celda única alimentado por energía solar

EDITAR: TL; DR:

• Use un LDO con mucho L'er DO
• Use un controlador MPPT o investigue un poco (si aún no lo ha hecho) sobre lo que hará su regulador reductor cuando se detenga la energía solar.
• Agregar un sensor térmico
• No debería, pero si lo desea, puede usar un transistor NPN para manipular el voltaje de salida.

FIN DE EDICIÓN / FIN DE TL;DR

El regulador de 3V

Permítanme comenzar mencionando el regulador Low Drop que ha elegido para el 3V. No es una opción ideal.

Si observa la página de título de la hoja de datos , ya puede ver "Bajo voltaje de caída: 300 mV". Si desea una salida estable de 3,0 V a la corriente nominal, eso significa que su batería debe permanecer en o por encima de 3,3 V, que cuando se carga no es más del 40% de la parte superior de un LiFePO4, probablemente menos.

Si luego mira el gráfico en la misma página, puede ver que para el rango de 100 mA también tiene 200 mV, así que creo que podría hacerlo mejor. Tenga en cuenta también que significará que cuando su módulo TX se encienda con 100 mA a un nivel de batería de 3,2 V, es posible que la salida de 3,0 V no alcance sus niveles de regulación de carga, ya que es un salto de "regular fácilmente por encima de la caída de 100 mV" a una corriente de uC de 1 mA hasta "regular en el borde mismo de las especificaciones de caída de 200 mV" a una corriente de TX de 100 mA.

La mejor opción sería algo donde la parte de la curva de 1 mA a 100 mA siempre encaje con, seamos ambiciosos, al menos el 70 % de la curva de la batería del LiFePO4.

Hay dos formas de hacerlo:

1. Trabaje a un voltaje ligeramente más bajo con un regulador ligeramente más adecuado
2. Trabaja a 3V, pero con un regulador significativamente más adecuado

Sin embargo, tiene suerte, porque al encender Mouser encontré tres soluciones posibles, donde una es una especie de híbrido entre 1 y 2 que también podría ser interesante. Elegí Mouser hoy, por razones. Deberían poderse encontrar en muchos lugares, ya que son marcas principales.

1. Voltaje ligeramente más bajo:

Este es también el encabezado bajo el cual cae el híbrido (porque no encontré uno de inmediato para 3.0V, pero deben existir).

Este TLV70228 de TI cumple con los requisitos. Tiene una salida de 2,8 V, no cuesta casi nada y tiene una caída de 260 mV normalmente a 300 mA, 380 mV como máximo. Por supuesto, también debemos prestar atención a los residuos estáticos, en el sentido de corriente de reposo. Para este, normalmente es de 35 μA, que está bastante cerca de su elección original.

En la figura 5 en la página 6 de la hoja de datos , puede ver que la caída de 1 mA a 100 mA es tan baja que incluso podría salirse con la suya con 3.0 V con este, posiblemente también colocando este tipo en el borde de la opción 2.

La solución híbrida en la que pienso es usar un regulador doble, que se puede obtener bastante asequible en un solo paquete pequeño. Al igual que otro producto de TI, el TLV7101828 , que tiene una salida de 1,8 V y otra de 2,8 V y, de nuevo, caídas bajas similares y corrientes de reposo similares por canal.

Puede alimentar una MCU con un voltaje más bajo (2.8 V, 2.5 V, 1.8 V) y dejar que aproveche el rango completo de la batería hasta que el chip de protección lo corte y luego ejecute el módulo TX para una mejor potencia en un voltaje más alto (3,0 V, 2,8 V).

Cuando no esté transmitiendo, puede apagar el segundo regulador con su pin de activación. Es posible que necesite un N-MOSFET ligeramente mejor para la situación de 1,8 V, pero existen fácilmente a precios razonables siempre que solo desee miliamperios (después de todo, gran parte del mundo ahora funciona con 1,8 V, por lo que se producen en masa).

Apagar la alimentación de TX pondrá ese regulador en modo <0.1μA y también garantizará que el módulo de TX no pierda nada de manera extraña, o emita un parpadeo cada segundo por alguna razón. Es raro, pero me pasó una o dos veces. Debe tener en cuenta la conversión del nivel de señal de datos y es posible que decida que va demasiado lejos, pero me siento negligente si no menciono la opción en absoluto.

2. Usando un mejor regulador a 3.0V

Este es simple: necesita 3.0V, por lo que obtendrá 3.0V, por lo que la opción 1 no se puede usar. Eso está bien, pero luego hay mejores alternativas. El primer MicroChip mejor que encontré no está disponible en Mouser en este momento, pero creo que es bastante común: TC2117-30 .

En la tabla de la página 2 de su hoja de datos tienen algunas cifras muy bonitas y es bonita y robusta, en caso de que luego decidas que necesitas 5 módulos TX ;-). También puede ver en la figura 2-5 en la página 4 que, para la mayoría de las temperaturas de funcionamiento probables, debería permitirle seguir trabajando con un suministro estable hasta un Vbat de 3,15 V, incluso con la carga máxima, como lo describió antes. .

Una cosa a tener en cuenta (y pensar) es su corriente de reposo bastante más alta de típicamente 80 μA.

Dólar solar y MPPT

Para empezar, generalmente no tienes ningún control sobre MPPT en el lado de las cosas que ya están en contra. Lo mejor es que lo haga el controlador con el panel solar para proporcionar la máxima corriente.

De cualquier manera, configura el iLim del convertidor reductor para proteger su batería de una carga de corriente demasiado alta, por lo que no puede querer obtener la máxima potencia, porque eso significa que está rompiendo su propia regla sobre mantener su batería viva. A menos que la corriente máxima de su batería sea mucho más que la potencia de salida de su panel solar, pero entonces su límite actual reflejaría eso.

De todos modos, usa los 4 V para cargar la batería a la corriente limitada y luego la libera a 3,5 V una vez que está llena, para evitar mantener la batería a voltajes más altos durante períodos prolongados. Otra cosa que podría considerar es hacer un bloqueo en el μC que no permita que los 4V regresen durante 24 o 48 horas. Cuanto menos aplique el voltaje más alto para una carga rápida, mejor para su batería. Su sistema debe dimensionarse para varios días sin sol significativo de todos modos.

Entonces, para MPPT, es mejor usar un Solar Harvester real, muchas marcas los tienen. También es importante observar el comportamiento del controlador cuando el voltaje de entrada o la potencia no cumplen con el requisito de salida. Muchos controladores estarán diseñados para "Tengo este suministro ilimitado (en comparación) que necesita alimentar un par de vatios a un cierto voltaje con una corriente limitada", así que cuando compare, tenga en cuenta que deben especificar lo que hacen. si Vout > Vin, por nombrar solo una posibilidad.

Los puntos principales con su convertidor reductor tienen que ver con el interruptor interno, a primera vista, encuentro que tiene cantidades bastante altas de desperdicio en términos de voltajes de saturación y demás. Era demasiado perezoso para leerlo todo para averiguar qué hace en la configuración del dólar si el voltaje de la batería es más alto que el voltaje solar. Algunos tipos agotarán la energía de la batería sin ningún motivo.

Algunas sugerencias para chips solares MPPT son las siguientes:

• LT3652 : también está diseñado para cargar baterías y menciona LiFePO4 en el ejemplo
• LTC4121 : cargador de celda única con voltaje de flotación configurable (aunque lo más probable es que sea un voltaje de meseta, donde se cargan hasta ese punto, por lo que me temo que no hay una carga rápida forzada de sobrevoltaje)

Para voltajes solares más bajos, ST habría tenido el SPV1040, que me gusta en soluciones de celda única pequeñas/portátiles.

Controlar el pin FB con mayor precisión con su μC

Por supuesto, si bien es relativamente inútil ahora, no puedo evitar que se pregunte acerca de brindar un control más preciso sobre el pin de retroalimentación. Como no puedo detenerte, también podría sugerirte algo para lograrlo. Saltando con el esquema:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Ya te habías dado cuenta de esto, pero es bueno volver a visitarlo (también para la posteridad, por así decirlo). Si el pin de retroalimentación del chip X quiere 1V a través de un divisor resistivo y el regulador quiere que eso suceda a través de retroalimentación interna (que es probablemente el 100% de los casos con un pin de retroalimentación). Luego, si coloca un número simple, como 100k en ese 1V, sabiendo que un pin de retroalimentación no consume una corriente mencionable en sí mismo, la salida puede ser de 3V o 4V al darse cuenta de que la corriente a través de R2 es la misma que a través de R1. Entonces, en la situación A, el R1 de 200k "agregará" 2V al voltaje de retroalimentación, haciendo un total de 3V. En la situación B, el R1 de 300k "agregará" 3V al voltaje de retroalimentación, haciendo un total de 4V. En la situación C, opté por dejar R1 con el mismo valor que en la situación A, pero como quiero 4V en la salida regulada, Tuve que cambiar R2. Por encima de los 200kOhm ahora debería caer 3V para que funcione con un voltaje de retroalimentación de 1V. Eso significa que la corriente a través de R1 y R2 es:I = 3V / 200kOhm = 15μApara luego obtener R2 calculas: R2 = 1V / 15μA =~ 66.7kOhm.

Nota sobre los valores de resistencia : algunos chips tienen una pequeña fuga en el pin de retroalimentación y requieren de 10k a 50kOhm en lugar de 100 kOhm, consulte las hojas de datos para obtener los mejores valores. Con baterías más altas es mejor, porque cuando el regulador se apaga, las resistencias perderán un poco de corriente de la batería. Con 100 kOhm y una batería de 3.6 V que es solo 36 μA, pero con 10 kOhm ya es 360 μA, lo que hace que un LDO de corriente de reposo bajo no tenga sentido y con un solo kilo ohmios se desperdicia en los miliamperios y luego poner el μC en reposo también comienza a ser inútil. .

Ahora, ¿qué sucedió realmente entre la situación A y la situación C? Eso es lo que queremos saber. Para mostrar, simplemente calculo la corriente a través de las resistencias para la situación A: I = V / R = 2V / 200kOhm = 10μA. Usé el sobrevoltaje, el valor y la corriente a través de R1 porque eso es lo que se volverá interesante. Verá que "en ese entonces" era de 10 μA, mientras que para 4 V con el mismo valor R1 necesitaba "tirar 15 μA".

Aquí es donde se vuelve divertido:

^{simular este circuito}

Para aquellos inclinados, la hoja de datos 2N3904 ofrece todo tipo de números divertidos.

La primera nota es que R3 vs R4 es enorme, así que dejé un seguidor de emisor allí, pero si R3 fuera mucho más pequeño, habría agregado un seguidor de emisor, lo que probablemente me hubiera llevado a unos 5 MOhm en este caso.

No voy a profundizar demasiado en Beta y Hfe, HFE y todo eso (lo he hecho antes, donde ese habría sido el punto central), pero todo se reduce a que el Transistor es un drenaje de corriente controlado por corriente. El sistema de retroalimentación mantiene su voltaje colector-emisor perfectamente pegado a 1V mientras no actuemos como completos idiotas. O dicho de otra manera: nuestro objetivo es mantener el control en el dominio de 1V Vce, si no lo hacemos, estamos rompiendo otras cosas de todos modos. Esto hace que el comportamiento del transistor sea un poco más predecible.

A partir de la hoja de datos, estimo que su amplificación actual se mantiene alrededor de un factor de 30 a una corriente de colector de 5 μA. Por supuesto, todavía no es lineal con la corriente del colector, pero eso se puede probar, mapear y arreglar con una tabla de búsqueda en el controlador. Los componentes solo necesitan hacer posible alcanzar ambos límites.

Entonces, para convertir el transistor en una fuente de corriente controlada por voltaje, agregamos una resistencia que permite que 5 μA pasen a través del colector al voltaje de control máximo. Para permitir cierto margen de control/búsqueda para compensar las tolerancias de los componentes, asumo un voltaje de control máximo de 2,5 V.

Para 2,5 V, la resistencia tendrá un voltaje de: V(R3) = 2.5V - 0.6V = 1.9Vporque el 'voltaje base deseado' del transistor será de aproximadamente 0,6 V a corrientes bajas (consulte la hoja de datos). La corriente de base a la tensión máxima de control debe ser: Ibase = Icollector / 30 = 5μA / 30 =~ 167nA. 167nA a 1.9V significa una resistencia requerida de: R3 =~ 1.9V / 167nA =~ 11.4MOhm. Que redondeé a 10 MOhm para obtener aún más tolerancias.

Para crear ahora el voltaje de control, simplemente puede usar PWM desde la MCU. Si la MCU funciona con 2,8 V, el PWM debería poder alcanzar 2,7 V o más con una carga de 33 kOhm y 47 nF. Debido a que R4 es muy pequeño en comparación con R3, la corriente base no causará demasiada compensación. El R4 y el C1 son básicamente un filtro RC súper simple que suaviza el valor PWM a un rango de voltaje cercano a la CC. Cuanto mayor sea la frecuencia PWM, más suave será el voltaje de CC en C1.

Por supuesto, pierde algo de rango de control en el extremo inferior, porque por debajo de 0,6 V, el transistor ya estará muy cerca de no tener corriente de colector.

A partir de esto, puede ver que con un valor PWM cercano a cero, el voltaje de control también será cercano a cero y el transistor estará apagado, en cuyo caso, el consumo de corriente de 10 μA de R2 dictado por el voltaje de retroalimentación es todo lo que pasa a través de R1. Estos 10 μA luego causan 2 V sobre R1 y el regulador emitirá 3 V.

Cuando tenemos un voltaje de control de 2,5 V, el transistor consumirá unos 5 μA adicionales o más, y para compensar eso a través de R1, el regulador deberá generar un voltaje más alto para mantener la retroalimentación de 1 V, de hecho, deberá salida de 4 V, para hacer que los 15 μA pasen por R1 que se necesitan para mantener los 10 μA pasando por R2. Si pasaran menos de 10 μA a través de R2, el voltaje de retroalimentación caería y el regulador no quiere eso, por lo que aumenta la salida.

Por supuesto, debido a algunos efectos térmicos, la respuesta de esto no sería precisa en una temperatura ambiente de -20 a +50, el transistor y las resistencias funcionarán de manera diferente en ese rango que solo a 25 grados centígrados fijos.

Última nota: sensor térmico

Una última nota, lo mencioné la última vez o en el chat (no recuerdo): debe agregar un sensor térmico a su MCU (o usar uno interno; tenga cuidado con la precisión, ¡tome un margen de seguridad lo suficientemente bueno!) para evitar cargar el LiFePO4 por debajo del punto de congelación. Un LiFePO4 se complace en ofrecer una buena capacidad por debajo del punto de congelación, especialmente las celdas de paquete plano, pero la carga por debajo del punto de congelación es un absoluto no-no si desea una buena vida útil de la celda.