In questo articolo si affronterà il problema di come creare continuità nell’alimentazione alla disconnessione del cavo USB per un prodotto a batteria. L’argomento è molto sentito soprattutto di recente con lo sviluppo di numerosi prodotti portatili ricaricabili attraverso la tensione del bus USB.
Sul mercato si affacciano sempre più prodotti consumer alimentati a batteria, per molti di questi il modo più semplice per ricaricare le batterie è sfruttare la tensione a disposizione nelle interfacce di comunicazione verso il PC, prima su tutte l’USB. Nel momento in cui il prodotto viene scollegato dal cavo USB si rischia lo spegnimento se non si passa immediatamente all’alimentazione gestita dalla batteria. Nel seguito si realizzerà un circuito che permetta appunto questo rapido passaggio dall’alimentazione del bus USB alla batteria, una sorta di UPS (Uninterruptible Power Supply) per dispositivi USB.
IL CIRCUITO DELL’UPS
Per risolvere il problema al momento della disconnessione del cavo USB è necessario realizzare una connessione come in figura 1.
Figura 1: connessione in OR attraverso diodi di due sorgenti di alimentazione.
Attraverso i due diodi in connessione OR ci si assicura che in uscita ci sia sempre alimentazione per il dispositivo. Se infatti la tensione del bus USB è superiore a quella delle batterie questa prevale e si produce in uscita. Tuttavia la caduta di tensione sul diodo può ridurre la vita della batteria e l’efficienza. Esistono dei circuiti integrati che in maniera più efficiente realizzano la medesima funzione. In figura 2 c’è il circuito di un convertitore boost per singola cella con il mosfet (PFET) esterno.
Figura 2: boost converter che funziona come UPS per la tensione di alimentazione in uscita.
Il PFET Q1, accoppiato con i blocchi interni di U1 formano un regolatore lineare, mentre l’alimentazione del bus USB è sempre connessa in OR attraverso i diodi al source di Q1. La tensione d’uscita del convertitore boost è impostata a 3.4V, consentendo in questo modo al drain di Q1 di regolarla a 3.3V. Come è facilmente intuibile questa configurazione genera delle perdite indesiderate sul mosfet Q1. La tensione di bus disponibile per i dispositivi è compresa tra 4.4 e 5.25V. Se il cavo USB è collegato al dispositivo, la tensione polarizza in diretta D1 e il boost converter entra in idle. Finche la tensione in uscita dal regolatore rimane superiore a 3.4V il convertitore rimane nello stato di idle. Il bus USB sta alimentando il carico e contemporaneamente attiva la ricarica della batteria tramite un generatore di corrente. In base al valore di R1 si può regolare la corrente che ricarica la batteria NiMH ad un decimo della capacità della batteria. Quando si scollega il dispositivo dal bus USB il convertitore boost esce dallo stato di idle e alimenta il carico attraverso la tensione di batteria. In figura 3 sono riportate le forme d’onda prelevate con l’oscilloscopio durante il passaggio dall’alimentazione tramite USB a quella a batteria. Si può vedere come la tensione d’uscita (l’ultima delle tre visualizzate) non subisca aviazioni quando la tensione del bus USB viene meno (la prima in alto dell’immagine).
Figura 3: forme d’onda delle tensioni durante il passaggio di limentazione da USB a batteria.
IL REGOLATORE BOOST
In figura 4 è riportato lo schema a blocchi interno del regolatore boost.
Figura 4: schema a blocchi interno del regolatore MAX1703.
Il MAX1703 è in grado di operare avendo da 1 a 3 celle in ingresso con una tensione in uscita regolabile tra 2.5V e 5.5V. Il regolatore inizia a funzionare con una tensione di 0.9V e rimane attivo fino a 0.7V. Per impostare la tensione in uscita bisogna collegare una resistenza di partizione tra i pin FB e OUT, collegata a massa come in figura 2. Vale la relazione: R1 = R2(VOUT/VFB –1)
Con VFB = 1.24V. Per lo schema di figura 2 R1 è 180Kohm e R2 100Kohm, per ottenere VOUT= 3.472V.
L’applicazione tipica per questo regolatore boost e l’utilizzo nei telefoni wireless, specialmente per i cordless. L’implementazione proposta dal datasheet della Maxim, riportata in figura 5 infatti consiglia di collegare la parte di amplificazione di potenza direttamente al convertitore boost per ottenere il massimo swing di tensione. La tensione per eventuali dsp, controllori e circuiti RF può essere ottenuta utilizzando un low-dropout partendo sempre dalla tensione del boost converter.
Figura 5: MAX1703 in una applicazione per telefonia senza filo.
Gli UPS sono davvero utilissimi per la protezione e la salvaguardia delle apparecchiature elettriche in casi di interruzione improvvisa di elettricità. Le applicazioni sono in crescita soprattutto nella domotica, in seguito alla necessità di una continuità nell’alimentazione per contrastare rischi di sbalzi di tensione o improvvisa mancanza di erogazione di energia elettrica, svolgendo quindi la duplice funzione sia di alimentazione che di protezione.
Da quando ho acquistato il Raspberry PI 4 mi si è posto il problema di avere un piccolo Ups sia per consentire al PI di continuare ad operare anche nel caso vada via l’elettricità all’improvviso sia per cercare di proteggere il dispositivo da eventuali sovratensioni. Pensavo di utilizzare allo scopo un pawerbank ma non sono riuscito a trovare sul mercato un prodotto capace di erogare in uscita i 5V 3A richiesti dal PI 4 né tantomeno di erogare corrente mentre è contemporaneamente collegato alla rete. Sarei proprio contento di leggere ulteriori approfondimenti a riguardo, se riterrete di doverli affrontare.