Una sorgente di tensione a 5V per alimentare o
ricaricare piccoli apparecchi portatili.
L6920
di STMicroelectronics è un integrato non molto noto, ma particolarmente
interessante.
Si
tratta di un convertitore switch-mode DC/DC del genere step-up, ovvero un
elevatore di tensione in corrente continua.
E' stato progettato per elevare la tensione di un paco di celle (da 1 a 3), con
uscita 3.3V, 5V o variabile e una corrente che può arrivare a 300 mA.
Lo
schema a blocchi dell' integrato è questo:
Il
circuito integra sia il MOSFET di commutazione, sia il diodo di recupero,
annullando la necessità di componenti esterni, che si riducono alla bobina e ai
condensatori di ingresso/uscita, il che è ottimo per realizzazioni veramente
molto miniaturizzate.
Sul
REF (pin 4) è disponibile la tensione interna di riferimento, a 1.23V.
Inoltre
è integrato un comparatore che ha un ingresso collegato alla tensione di
riferimento e l' altro disponibile sul pin LBI; la sua uscita è un open drain
sul pin LBO.
Questo comparatore è previsto per essere impiegato come monitor per la tensione
della batteria, funzione in questo caso non secondaria.
L6920 può operare con tensioni minime (una sola cella Alcalina al limite della
scarica completa a 0.85 V riesce ancora ad avviare il circuito), ovvero si
tratta di uno "spremitore di batterie"; se questo è buona cosa per le
Alcaline, non ricaricabili, che vale la pena di "spremere" fino in
fondo, la stessa cosa non va bene per le celle NiMH, che non possono essere
scaricate più che tanto, pena l' inversione della polarità e la perdita della
funzionalità.
Quindi è utile avere un avvertimento della fine autonomia, in modo che possano
essere sostituite.
Notevole
il fatto che non occorrono le solite resistenze di feedback per determinare la
tensione di uscita in quanto il costruttore ha avuto l' eccellente idea di
integrarle con un meccanismo veramente ottimo: a seconda di come è collegato l'
ingresso di feedback (FB), L6920 genera 3.3V, 5V o una tensione variabile
determinata da un partitore esterno:
- pin FB a massa - tensione uscita 5 V
- pin FB alla Vout - tensione uscita 3.3. V
- pin FB al partitore - tensione uscita
variabile 2 - 5.2 V
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Un sistema veramente completo e che non
occupa più di 3 centimetri quadrati.
Unico dato che non farà contenti molti è
il fatto che questo integrato è disponibile solamente in package SMD, per l'
esattezza L6920D è un TSSOP a 8 pin e L6920DB è un MSOP8.
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Componenti molto piccoli e che richiedono una certa "manina" per
essere saldati a dovere.
L'applicazione.
Il circuito applicativo è veramente semplice:
L'
integrato necessita al minimo di 2 condensatori elettrolitici, uno ceramico e
una induttanza.
Il
foglio dati riporta
alcune curve che mettono in relazione la tensione di ingresso, quella di uscita,
la corrente erogabile e il rendimento.
In
particolare, la Figura 3 indica che il rendimento, per una tensione di ingresso
di 2.4V e una di uscita di 5V è oltre l' 85% per correnti da 1 ad almeno 200
mA.
Già
impiegato in altre realizzazioni, è nata l' idea di una applicazione semplice:
convertire la tensione di due batterie (Alcaline o NiMh) in 5V, prelevabile da
una presa USB-A.
Questa soluzione è utile per alimentare piccoli apparecchi portatili, anche per
far funzionare i PICkit come programmatori stand alone. Oppure per ricaricare le
batterie di cellulari, MP3 e simili: quando la batteria interna sia esaurita,
occorre ricaricarla e può essere un problema se non c'è disponibile una presa
di corrente alternata o un PC; invece batterie AA o AAA si trovano ovunque.
Realizzazione pratica.
L6920
è disponibile solo in contenitori per montaggio superficiale e in particolare
qui usiamo L6920Dche in TSSOP8; in alternativa, L6920DB è in MSOP8. Non
esistendo una versione DIP, è quindi è necessario lavorare in SMD e, visto che
c'eravamo, la realizzazione è molto compatta.
Lo
schema ricalca l' application.
Il
pin FB è a massa per avere in uscita 5V.
Il pin 5 di shutdown (SHDN) è collegato alla Vout per mantenere il circuito
sempre in attività.
L' ingresso LBI è calibrato con un partitore per una tensione di 2.2V per due
celle NiMH (JP1 chiuso) o a 1.8V (due celle Alcaline). La scelta è dovuta al
fatto che una cella NiMH se portata sotto gli 1.1V rischia l' inversione di
polarità o comunque una perdita di efficienza a causa della scarica troppo
profonda.
Invece si è scelta una tensione pari a 0.85V per le alcaline, che, non essendo
ricaricabili, vale ala pena di scaricare a fondo (Duracell da 0,75V, ma altre
batterie sono già ko a 1V). In ogni caso, il livello di segnalazione del fine
batteria può essere variato sostituendo le resistenze del partitore su LBI
I
calcoli relativi sono eseguibili facilmente con la formula presente sul
foglio dati:
VLBO
= 1.23 (1+ R2/R1)
Inserendo
la formula in una piccola tabella di Excel si possono verificare gli effetti
delle diverse combinazioni.
Siccome la corrente di ingresso del comparatore è minima si possono usare
resistenze di valore elevato per minimizzare il consumo.
L'
uscita LBO è collegata ad un piccolo MOSFET (2N7002 o simile) che comanda un
LED. In questo modo il LED acceso segnala sia CHE il circuito è in
funzione, sia l' efficienza della batteria, che andrà cambiata quando il LED si
spegne.
Questa soluzione, anche se consuma una piccola parte della corrente generata, ha
il vantaggio di fornire con un solo LED l' indicazione ON/Batteria scarica e
nello stesso tempo imporre una minima corrente di carico al convertitore (che
per un circuito switch-mode è sempre cosa utile per la stabilità, anche se
dalle prove fatte il circuito sembra non avere problemi a lavorare a vuoto).
Volendo,
è possibile collegare il LED tra LBO e il positivo, in serie alla R4 che deve
limitare la corrente ad un massimo di 1 mA ( massima corrente erogabile dal pin
LBO): in questo caso il LED si accenderà quando la tensione di batteria è
sotto il minimo impostato.
Nel prototipo è stato usato un LED della famiglia HLM-PQ che si accende bene
con una corrente di 1 mA o meno. Nel caso di altri LED, la resistenza in serie
dovrà essere adeguata, ma, comunque, si consiglia di utilizzare LED a basso
consumo in quanto non ha senso imporre carichi inutili ad un circuito alimentato
da batterie.
La
tensione è prelevabile da una presa USB-A. La scelta deriva dalla grande
quantità di apparecchi portatili che usano la tensione di USB per funzionare o
per ricaricare la loro batteria interna.
Inoltre, questo circuito può essere usato per alimentare in stand-alone i
PICKit come programmatori.
I pin dati sono collegati alla massa con due resistenze allo scopo di terminare
i conduttori ed evitare problemi di elettricità statica o disturbi.
I
condensatori devono essere tassativamente a basso ESR: l' uso di condensatori
"qualunque" è possibile, ma riduce drasticamente il rendimento e
aumenta il ripple. Lo schema applicativo consiglia 47 uF, ma dato che
costruttivamente non ci sono grosse differenze dimensionali con un 100 uF, nel
prototipo è stato usato questo valore (Kemet formato 3528 a basso ESR,
reperibili da RS).
Il
circuito, secondo il foglio dati, resiste all' inversione di polarità della
batteria; però, se si suppone che questo possa avvenire, occorre che C1 sia un
ceramico non polarizzato. Tra l' altro l' uso di ceramici per C1 e C2 ridurrebbe
ulteriormente le dimensioni, ma qui non sono stati previsti in quanto costano
molto di più dei tantalio e comunque non è necessario ridurre più che tanto
le dimensioni, che sono determinate per la maggior parte dalla presa USB e dal
pacco batterie.
Nell'
application non è presente C3, ma si è preferito metterlo in quanto riduce l'
impedenza alle alte frequenze ed evita la possibilità di fenomeni indesiderati.
Il
valore per la bobina è abbastanza elastico e il circuito funziona bene con
valori tra 5 e 40 uH.
I valori minori permettono maggiore velocità di risposta ai transienti, mentre
aumentano il ripple in uscita e viceversa. Inoltre il valore dell' induttanza
influenza la corrente massima che il circuito può gestire, secondo la formula:
Icarico_lim
= Vin/Vout * ( (Ilim - (Toffmin * (Vout-Vin/2L)))
Con
Ilim che è 1A per L6920D e 850 mA per L6920DB e Toffmin che è tipicamente 1
us.
Nel
prototipo è stata usata una bobina da 10 uH a bassa resistenza, con corrente di
picco di 1A della EPCOS (reperibile da RS).
Le
resistenze sono tutte 805 (o comunque <1/4 W).
Il
circuito stampato, per semplicità, è mono rame. Potendo realizzare un doppia
faccia, si elimina il jumper che collega il pin LBO al MOSFET e il resto della
seconda faccia può essere un piano continuo di massa, anche se il circuito non
è critico e non lo richiede.
In pratica.
Il
prototipo nelle foto è stato realizzato per essere inserito a sandwich su un
porta batterie per due elementi formato AAA.
Ovviamente è possibile adeguarlo alle proprie necessità, ad esempio utilizzando
una coppia di AA o una LiIon da 3.6V, che offrono prestazioni maggiori.
Non
ci sono particolarità nella realizzazione, fatto salvo che è riservata a chi
ha la "mano" e il saldatore per l' SMD.
Mettendo l' integrato su un adattatore da MSOP a DIL, però, è possibile
realizzarne una versione per circuito stampato "normale".
In
alternativa, Maxim produce un MAX1674 che è costruito anche in DIP8 e, dal
foglio dati, pare essere un perfetto equivalente pin-to-pin dell' L6920. Con
questo è possibile realizzare una versione non SMD che non occupa una
superficie troppo maggiore. Il componente è però reperibile con minore facilità.
Lista componenti.
- 2 o 3 batterie alcaline o NiMH o una LiIon
da 3.6V
- L1 - 10 uH 1A (es. RS 496128). Vanno
bene valori da 4.7 a 47 uH
- C1-C2 elettrolitici tantalio 100 uF
6.3V a basso ESR (es RS 6925781)
- C3-C4 multistrato 100 nF
- R2-6-7 100 k
- R1-3 260 k
- R4
47-100 k
- R8 1 - 3k dipendente dal LED
- IC1 L6920D o
DB
- Q1
2N7002 o BS170 o simile
- LED a basso
corrente (es RS 826537)
- Presa USB-A, Portapile, interruttore,
jumper
I
riferimenti al catalogo RS sono dati solo per avere una idea più precisa dei
componenti usati.
Documentazione.
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