Power Path Controller-System mit ltc4412 zum Umschalten zwischen Primär- und Hilfsenergie

Es gibt viele Situationen, in denen unser Schaltungsdesign zwei Stromquellen wie einen Adapter und eine Batterie enthält oder es sich sogar um zwei andere Netzteile aus zwei verschiedenen Steckdosen handeln kann. Die Anforderung der Anwendung kann so sein, dass sie bei Stromausfällen immer eingeschaltet bleiben muss, indem eine zusätzliche verfügbare Stromquelle verwendet wird. Beispielsweise muss eine Schaltung, die über einen Adapter mit Strom versorgt wird, auf eine Batterie oder eine Hilfsstromversorgung umschalten, ohne den Betrieb der Schaltung im Falle eines Stromausfalls zu unterbrechen.

In diesen oben genannten Fällen ist eine Power Path Controller-Schaltung hilfreich. Grundsätzlich schaltet eine Leistungspfad-Steuerschaltung die Hauptleistung der Leiterplatte in Abhängigkeit von der verfügbaren Stromquelle um, indem sie den Pfad steuert, von dem die Leistung in die Schaltung gelangt.

In diesem Projekt werden wir ein dediziertes Strompfad-Reglersystem bauen, das die Leistungsaufnahme der Last während des Primärstromausfalls von Primärstrom auf Hilfsstrom umschaltet und während der Phase der Wiederherstellung der Primärstromversorgung erneut die Hilfsstromquelle auf Primärstrom umschaltet. Dies ist eine sehr wichtige Schaltung, die aufgebaut werden muss, um den ununterbrochenen Anwendungszustand der Stromversorgung zu unterstützen, während die Eingangsleistung von primär zu auxiliary oder auxiliary zu primär wechselt. Mit anderen Worten, es kann wie eine USV für Arduino- und Raspberry Pi- Projekte funktionieren und es kann auch zum Laden mehrerer Akkus mit einem einzigen Ladegerät verwendet werden.

Bedarf

Die Anforderung der Schaltung ist wie folgt angegeben:

1. Der Laststrom beträgt bis zu 3A.
2. Die maximale Spannung beträgt 12 V für einen Adapter (Primärstrom) und 9 V für eine Batterie (Sekundärstrom).

LTC4412 Power Path Controller

Der Hauptcontroller, der für die Schaltung ausgewählt wird, ist der LTC4412 von Analog Devices (lineare Technologien). Dies ist ein verlustarmes Leistungspfad-Steuerungssystem, das automatisch zwischen zwei Gleichstromquellen umschaltet und die Lastverteilungsvorgänge vereinfacht. Da dieses Gerät Adapterspannungsbereiche von 3 Volt bis 28 Volt und Batteriespannungsbereiche von 2,5 Volt bis 25 Volt unterstützt. Somit dient es der obigen Anforderung der Eingangsspannung. In der folgenden Abbildung ist das Pinbelegungsdiagramm des LTC4412 dargestellt.

Es hat jedoch zwei Eingangsquellen, eine ist die primäre und die andere die Hilfsquelle. Die primäre Stromquelle (in unserem Fall der Wandadapter) hat Vorrang vor der zusätzlichen Stromquelle (in diesem Fall die Batterie). Daher wird die Hilfsenergiequelle immer dann getrennt, wenn die primäre Stromquelle vorhanden ist. Der Unterschied zwischen diesen beiden Eingangsspannungen beträgt nur 20 mV. Wenn also die primäre Stromquelle 20 mV höher als die Hilfsstromquelle wird, wird die Last mit der primären Stromquelle verbunden.

Der LTC4412 verfügt über zwei zusätzliche Pins - Steuerung und Status. Der Steuerstift digital verwendet werden, um den Eingang zu steuern, um das MOSFET zu zwingen auszuschalten, während die Status - Pin ein Open-Drain - Ausgangsstift ist, der verwendet werden kann 10uA von Strom zu versenken und verwendet werden kann, einen zusätzlichen MOSFET mit einem steuern externer Widerstand. Dies kann auch mit einem Mikrocontroller verbunden werden, um das Anwesenheitssignal der Hilfsstromquelle zu erhalten. Der LTC4412 bietet auch einen Verpolungsschutz für die Batterie. Da wir jedoch mit Netzteilen arbeiten, können Sie hier auch andere Designs wie Überspannungsschutz, Überstromschutz, Verpolungsschutz, Kurzschlussschutz, Hot-Swap-Controller usw. ausprobieren, die möglicherweise nützlich sind

Eine weitere Komponente besteht darin, zwei P-Kanal-MOSFETs zur Steuerung der Hilfs- und Primärstromquellen zu verwenden. Zu diesem Zweck wird FDC610PZ als P-Kanal-MOSFET mit -30 V und -4,9 A verwendet, der für den Betrieb von 3 A Lastumschaltung geeignet ist. Es hat einen niedrigen RDS- _EIN- Widerstand von 42 Mili-Ohm, was es für diese Anwendung ohne zusätzlichen Kühlkörper geeignet macht.

Daher lautet die detaillierte Stückliste

1. LTC4412
2. P-Kanal MOSFET-FDC610PZ - 2 Stck
3. 100k Widerstand
4. 2200uF Kondensator
5. Relimate Stecker - 3 Stk
6. PCB

Schaltplan des LTC4412 Power Path Controllers

Die Schaltung hat zwei Betriebsbedingungen, eine ist der Verlust der Primärleistung und die andere ist die Wiederherstellung der Primärleistung. Die Hauptaufgabe erledigt der Controller LTC4412. Der LTC4412 verbindet die Ausgangslast mit der Hilfsleistung, wenn die Primärspannung um 20 mV unter die Hilfsspannung fällt. In dieser Situation nimmt der Status-Pin Strom ab und schaltet den Hilfs-MOSFET ein.

Unter anderen Arbeitsbedingungen wird die Last immer dann wieder mit der primären Stromquelle verbunden, wenn der primäre Stromeingang 20 mV über der Hilfsstromquelle liegt. Der Status-Pin geht dann in den Open-Drain-Zustand und schaltet den P-Kanal-MOSFET aus.

Diese beiden Situationen ändern nicht nur automatisch die Stromquelle in Abhängigkeit vom primären Stromausfall, sondern schalten auch um, wenn die Primärspannung erheblich abfällt.

Der Erfassungsstift versorgt die internen Schaltkreise mit Strom, wenn die Fahrgestellnummer keine Spannung erhält, und erfasst auch die Spannung des primären Netzteils.

Der größere Ausgangskondensator von 2200 uF 25 V sorgt für eine ausreichende Filterung während der Ausschaltphasen. In der kurzen Zeit, in der die Umschaltung erfolgt, versorgt der Kondensator die Last mit Strom.

PCB Board Design

Zum Testen der Schaltung benötigen wir eine Leiterplatte, da sich der LTC4412-IC im SMD-Gehäuse befindet. In der folgenden Abbildung ist die Oberseite der Platine dargestellt.

Das Design erfolgt als einseitige Platte. Auf der Leiterplatte sind außerdem 3 Drahtbrücken erforderlich. Zwei zusätzliche optionale Eingänge und Ausgangspins sind ebenfalls für die Steuerungs- und Statusoperationen vorgesehen. Bei Bedarf kann eine Mikrocontroller-Einheit an diese beiden Pins angeschlossen werden. In diesem Lernprogramm wird dies jedoch nicht durchgeführt.

In der obigen Abbildung ist die Unterseite der Leiterplatte dargestellt, auf der zwei MOSFETs von Q1 und Q2 angezeigt werden. Die MOSFETs erfordern jedoch keine zusätzlichen Kühlkörper, sondern bei der Konstruktion wird der PCB-Kühlkörper erstellt. Diese reduzieren die Verlustleistung über die MOSFETs.

Testen des Power Path Controllers

Die beiden obigen Bilder zeigen die Leiterplatte des zuvor entworfenen Strompfad-Controllers. Die Leiterplatte ist jedoch eine handgeätzte Version und wird den Zweck erfüllen. Die Komponenten werden ordnungsgemäß in die Leiterplatte eingelötet.

Zum Testen der Schaltung wird eine einstellbare Gleichstromlast an den Ausgang angeschlossen, die fast 1 Ampere Strom verbraucht. Wenn Sie keine digitale Gleichstromlast haben, können Sie mit Arduino auch Ihre eigene einstellbare Gleichstromlast erstellen.

Zu Testzwecken hatte ich einen Mangel an Batterie (hier ist es COVID-19-Sperrung), und daher wird ein Tischnetzteil mit zwei Ausgängen verwendet. Ein Kanal ist auf 9 V und der andere auf 12 V eingestellt. Der 12-V-Kanal wird getrennt, um das Ergebnis am Ausgang anzuzeigen, und der Kanal wird erneut angeschlossen, um die Leistung der Schaltung zu überprüfen.

Sie können das unten verlinkte Video ansehen, um eine detaillierte Demonstration der Funktionsweise der Schaltung zu erhalten. Ich hoffe, Ihnen hat das Projekt gefallen und Sie haben etwas Nützliches gelernt. Wenn Sie Fragen haben, lassen Sie diese im Kommentarbereich unten oder nutzen Sie unsere Foren für andere technische Fragen.