مصدر طاقة احتياطي بسيط لسكة حديد 3.3 فولت

“يعد فقدان البيانات مشكلة في تطبيقات الاتصالات والتطبيقات الصناعية والسيارات حيث تتطلب الأنظمة المدمجة مصدر طاقة موثوقًا. يمكن أن تؤدي الانقطاعات المفاجئة في الطاقة إلى إتلاف البيانات حيث تقوم محركات الأقراص الثابتة وذاكرة فلاش بإجراء عمليات القراءة والكتابة. غالبًا ما يستخدم المصممون البطاريات والمكثفات والمكثفات الفائقة لتخزين طاقة كافية لتوفير دعم طاقة قصير المدى للأحمال الحرجة أثناء انقطاع التيار الكهربائي.

“

المقدمة

يعد فقدان البيانات مشكلة في تطبيقات الاتصالات والتطبيقات الصناعية والسيارات حيث تتطلب الأنظمة المدمجة مصدر طاقة موثوقًا. يمكن أن تؤدي الانقطاعات المفاجئة في الطاقة إلى إتلاف البيانات حيث تقوم محركات الأقراص الثابتة وذاكرة فلاش بإجراء عمليات القراءة والكتابة. غالبًا ما يستخدم المصممون البطاريات والمكثفات والمكثفات الفائقة لتخزين طاقة كافية لتوفير دعم طاقة قصير المدى للأحمال الحرجة أثناء انقطاع التيار الكهربائي.

يمكّن مصدر الطاقة الاحتياطي LTC3643 المصممين من استخدام عنصر تخزين طاقة غير مكلف نسبيًا: مكثفات إلكتروليتية منخفضة التكلفة. في مصدر الطاقة الاحتياطية أو المعلقة المذكورة هنا ، يقوم LTC3643 بشحن مكثف تخزين إلى 40 فولت عند وجود مصدر الطاقة ، ويقوم بتفريغ الطاقة من مكثف التخزين إلى الحمل الحرج عند انقطاع التيار الكهربائي. يمكن تغيير جهد الحمل (الخرج) إلى أي جهد بين 3 فولت و 17 فولت.

يمكن استخدام LTC3643 بسهولة كحل احتياطي لقضبان 5 V و 12 V ، لكن حلول السكك الحديدية 3.3 فولت تتطلب مزيدًا من الحذر. الحد الأدنى لجهد التشغيل لـ LTC3643 هو 3 فولت ، وهو قريب نسبيًا من مستوى جهد الدخل الاسمي البالغ 3.3 فولت. يكون هذا الهامش ضيقًا جدًا عند استخدام صمام ثنائي العزل لفصل مصدر الجهد الاحتياطي عن الدوائر غير الحرجة ، كما هو موضح في الشكل 1 أ. إذا كان D1 عبارة عن صمام ثنائي شوتكي ، فإن انخفاض جهده الأمامي (كدالة لتيار الحمل ودرجة الحرارة) سيكون من 0.4 فولت إلى 0.5 فولت ، وهو ما يكفي لوضع الجهد على دبوس LTC3643 VIN أسفل الحد الأدنى 3 فولت. لذلك ، قد لا تبدأ دائرة الطاقة الاحتياطية.

الشكل 1 (أ) و (ب). موقع الصمام الثنائي في مخطط نظام النسخ الاحتياطي.

يتمثل أحد الحلول الممكنة في نقل الصمام الثنائي إلى الإدخال D2 لمحول DC / DC الذي يعمل بالطاقة ، كما هو موضح في الشكل 1 ب. لسوء الحظ ، في هذه الحالة ، تقوم الأحمال غير الحرجة المتصلة بمصدر طاقة التيار المستمر / التيار المستمر بسحب الطاقة من مصدر الطاقة الاحتياطية ، مما يترك طاقة أقل للأحمال الحرجة.

3.3 فولت تشغيل الطاقة الاحتياطية

يوضح الشكل 2 حلاً لتوليد طاقة احتياطية 3.3 فولت باستخدام دائرة عزل MOSFET لتخزين الطاقة للأحمال الحرجة. يتم استبدال الصمام الثنائي الموضح في الشكل 1 بقدرة جهد عتبة بوابة منخفضة P-channel MOSFET Q1.

مفتاح تشغيل الطاقة الاحتياطية في بيئة 3.3 فولت هو إضافة دائرة سلسلة RA-CA. عند بدء التشغيل ، مع ارتفاع جهد الدخل ، يتم تحديد التيار المتدفق عبر المكثف CA بواسطة الصيغة ICA = C × (dV / dt). هذا التيار يخلق إمكانات عبر RA كافية لتعزيز عتبة بوابة منخفضة الجهد إشارة صغيرة N-channel MOSFET Q2. عندما يتم تشغيل Q2 ، فإنه يسحب بوابة Q1 إلى الأرض ، مما يوفر مسار مقاومة منخفض جدًا بين جهد الدخل ودبوس تزويد LTC3643 ، VIN. بمجرد تطبيق 3.3 فولت على المحول ، يبدأ المحول ، ويسحب بوابة Q1 ودبوس PFO ، ويبدأ في شحن مكثف التخزين.

الشكل 2. التخطيطي المحسن لحل LTC3643 للسكك الحديدية 3.3 فولت.

عندما يصل سكة 3.3 فولت إلى حالة مستقرة ، ينخفض ​​تيار ICA إلى النقطة التي ينخفض ​​عندها الجهد عبر RA إلى ما دون مستوى عتبة البوابة Q2 وينطفئ Q2 ، وبالتالي لم يعد يؤثر على وظيفة محول النسخ الاحتياطي. بالإضافة إلى ذلك ، يربط دبوس PFO R3A بالأرض ، مما يعيد ضبط مستوى جهد انقطاع التيار الكهربائي الخاص بدبوس PFI إلى 3 فولت على الأقل لضمان أن المحول يحافظ على التشغيل الطبيعي عند فصل مصدر جهد الدخل.

وظيفة الدائرة

تُظهر الأشكال الموجية في الشكل 3 النتائج عند بدء التشغيل باستخدام سكة 3.3 فولت. عندما يرتفع جهد الدخل ، يرتفع جهد البوابة Q2 أيضًا ، وبالتالي يسحب بوابة Q1 منخفضة. Q1 في حالة تصلب ، مما يسمح لـ 3.3 فولت كاملة بالوصول إلى LTC3643 ، متجاوزًا الصمام الثنائي للجسم Q1. أخيرًا ، ينخفض ​​جهد البوابة Q2 إلى ما دون مستوى العتبة وينطفئ Q2 ، وعند هذه النقطة يكون LTC3643 يعمل بكامل طاقته ويتحكم في بوابة Q1.

تُعرض هنا براعة LTC3643: لا سيما قدرتها على الحد من تيار الشحن لمحول التعزيز المستخدم لشحن مكثف التخزين. في الحالات التي يجب فيها تقليل إجمالي التيار ، مثل وجود أسلاك طويلة أو مصادر جهد عالي المقاومة ، يمكن ضبط تيار التعزيز عند مستوى أقل لتقليل تأثير تيار الشحن على انخفاض جهد الدخل. هذا مهم بشكل خاص للسكك الحديدية 3.3 فولت. في الشكل 2 ، يعين المقاوم 0.05 RS حدًا قدره 0.5 أمبير (حمل 10.5 أمبير) لمحول الشحن الحالي (الحد الأقصى الممكن ضبطه هو 2 أ) ؛ يتم تسليم باقي التيار للتحميل.

الشكل 3. الأشكال الموجية للقضيب 3.3 فولت عند التشغيل

يوضح الشكل 4 أشكال الموجة عند فقد السكة 3.3 فولت. عندما ينخفض ​​جهد الدخل ، يظل جهد البوابة Q2 ثابتًا (بالقرب من الأرض) ويتم إيقاف تشغيل Q2. في المقابل ، يرتفع جهد البوابة Q1 بشكل حاد إلى 3.3 فولت. يؤدي هذا إلى إيقاف تشغيل Q1 ، ويعمل الصمام الثنائي للجسم Q1 كصمام ثنائي مانع ، وبالتالي يفصل الحمل عن المدخلات. في هذه المرحلة ، يتولى مصدر الطاقة الاحتياطية المسؤولية ويقوم LTC3643 بتوصيل 3.3 فولت للحمل الحرج عن طريق تفريغ الطاقة من مكثف التخزين.

الشكل 4. الأشكال الموجية للسكة 3.3 فولت عند خفض الطاقة

ختاماً

تسمح الدائرة الموضحة في هذه المقالة باستخدام LTC3643 كحل طاقة احتياطي للسكك الحديدية 3.3 فولت. يبسط LTC3643 الطاقة الاحتياطية باستخدام المكثفات الإلكتروليتية منخفضة التكلفة كعناصر لتخزين الطاقة.