Однажды мне попался один весьма интересный проект платы, поддерживающей большое количество разнообразных E-Ink экранов. Проект довольно быстро заинтересовал, появилось желание несколько переработать плату, внести улучшения, узнать и попробовать что-нибудь новое. Больше всего изменений претерпела система питания: она была разработана практически с нуля. Процесс оказался очень познавательным и увлекательным, а отладка прототипа преподнесла много поучительных и забавных сюрпризов. Это жизненный рассказ о разработке как есть.

❯ Что такое EPDiy?

EPDiy – это интересный проект платы и сопутствующего ПО для управления довольно большим количеством e-Ink экранов. Способ управления у разных моделей одного типа примерно одинаковый. Отличаются лишь разъёмы и временные параметры.

У автора проекта получилось несколько вариантов платы, отличающиеся, в основном, системой питания. В тот момент, когда я вдохновился спроектировать свою систему питания, последней версией была шестая. Седьмая версия, построенная на более современном чипе, появилась сравнительно недавно.

Проект мне понравился, и захотелось его несколько переработать, чтобы кроме конечного результата получить ценный опыт живой разработки и насладиться процессом. Основное внимание хотелось уделить силовой части.

Сейчас я пишу эти строки и, оглядываясь назад, могу с уверенностью сказать, что было весьма интересно и опыт значительно подрос. В процессе сделано немало ошибок, узнано и взято на вооружение много новых для меня вещей. Не обошлось и без забавных, неожиданных ситуаций. Один только бабах чего стоит…) Но обо всём по порядку.

❯ С чего начнём?

А начнём мы с осмысления того, как мы видим будущий проект, и составления небольшого технического задания. Это удобно. Если делать параллельно несколько проектов, то можно просто забыть какие-то детали. А так всё будет в одном месте. ТЗ несколько ограничит нас, если вдруг что-то будет не получаться и появится желание снизить требуемые характеристики.
Первым делом стоит изучить имеющиеся решения.

В версии 5 преобразователи напряжения построены на двух микросхемах LT1945. Не самая дешёвая и доступная микросхема.

В версии 6 питание экрана построено на специализированной микросхеме TPS651851RSLR.

Решение интересное, но на момент проектирования мне не удалось найти эту микросхему по приемлемой стоимости. К тому же, хотелось спроектировать систему питания самостоятельно, а не просто поставить готовую микросхему, скопировать схему из даташита и всё. Был большой интерес попробовать новые для себя топологии, схемные решения, новые компоненты, вроде ферритовых бусин и другое.

В схемах EPDiy предусмотрены варианты питания платы от аккумулятора или от USB. На мой взгляд, аккумулятор имеет смысл поставить в какое-то законченное устройство с конкретной моделью экрана. У нас же универсальная плата для разных моделей. Этакий испытательный стенд. Мне хочется сделать попроще, поэтому сделаем простое питание от USB (+4,5…5,5 B), так преобразователи напряжения будут проще. Питать плату будем от банки или от зарядки, например, смартфона.

Экраны бывают разных диагоналей. С увеличением размера растёт потребление. Изучив несколько документов на экраны разных размеров (ED050SC3 (диагональ 5"), ED060SC4V2 (диагональ 6"), ED097ОС1 (диагональ 9,7"), Экран 13,3" и другие), сформируем требования к источникам питания:

Посмотрим также документ на драйвер питания TPS65185х.
Возьмём запас 30% для максимального тока. В итоге получим примерно такие же токи, как у микросхемы TPS651851. Кстати, она используется в модуле WaveShare для питания 13,3" экрана (вот схема).

Также мне попадалось такое решение на основе версии 5.

На первый взгляд, у решения есть свои плюсы. Одна из микросхем LT1945 заменена дешёвыми и доступными линейными стабилизаторами. Но ещё раз внимательно посмотрим на потребление по линиям разных напряжений (в табличке выше). Брать питание для более мощных линий +-15 В с маломощных +22, -20 В и рассеивать излишек напряжения на линейных стабилизаторах – это как-то неправильно. Хотя стремление понятно: автор схемы хотел удешевить и упростить её.
Очень важный момент – оценить ток, потребляемый преобразователями и платой в целом. Начнём с преобразователей.

К ним нужно добавить ток, потребляемый по линии 3,3 В. Самый большой 13,3" экран потребляет по линии +3,3 В 10 мА. Микросхемы – 30 мА. Основной вклад вносит ESP32, особенно, при работе передатчика.

По линии +3,3 В получается ток 540 мА. Добавим его к току преобразователей и получим 2,273 А. Не хило! Особенно, если вспомнить, что ток порта USB 2.0, к которому плата тоже может подключаться, ограничен значением 500 мА.

Решение довольно простое: добавить схему автосброса, которая будет сбрасывать ESP32 при подключении к компьютеру. Получается, с помощью компьютера будем прошивать, а работать плата будет от банки (power bank) или зарядки.

Питание по линии +3,3 В для модуля ESP 32, экрана и других микросхем, в целом, оставим без изменения.

Получается такой список требований (ТЗ):

1. Питание от USB (+4,5…5,5 B);

2. Выходные напряжения:
   2.1 +-15B (+-14,6…+-15,4 В) 200мА. Минимальный ток нагрузки 3.4 мА;
   2.2 -20 В (-21…-19 В) 15 мА. Минимальный ток нагрузки 0.3 мА;
   2.3 +22В (21…23 В) 15 мА. Минимальный ток нагрузки 0.4 мА (Токи как у TPS651851);

3. Наличие схемы автосброса ESP32.

4. Попробовать новые для себя решения. Желательно сделать попроще и, по возможности, дешевле. Остальное по ситуации.
   

❯ Выбираем топологию. Первый вариант схемы

Нам нужно получить из +4,5 В (минимальное напряжение от USB) четыре напряжения: +-15 В, +22 и -20 В.

Первыми вспоминаются топологии повышающего (boost) и инвертирующего (inverting buck-boost) преобразователей.

Обычно их используют при кратностях повышения напряжения 3…5 раз. Если отношение выходного напряжения к входному больше, то начинаются сложности с подбором индуктивности для правильной настройки. Из-за высокой крутизны регулировочной характеристики преобразователя небольшое изменение в потребляемом токе нагрузки приводит к большому отклонению выходного напряжения преобразователя. Замечательный обзор на эту тему с описанием сложностей (источник питания по топологии boost 5-200 В).
Проверим максимальную кратность для нашего случая. 22 В/4,5 В = 4,9 < 5 раз. Как раз помещается. Остальные напряжения дадут меньшую кратность.

Есть ещё топологии Sepic.

В Сепике и Чуке есть ноль в правой полуплоскости (RHPZ), из-за чего приходится снижать полосу пропускания обратной связи (конвертер будет реагировать на изменения тока нагрузки или входного напряжения медленнее). В похожей топологии Zeta нет нуля в правой полуплоскости.

Но такую топологию я особо не встречал. Чаще попадается совмещённый Сепик+Чук.

Топологии интересные и имеют свои плюсы: выходное напряжение может быть как выше, так и ниже входного, а конденсатор С1 защищает вход схемы от короткого замыкания на выходе.

Выходное напряжение в нашем проекте только выше (по модулю) и нам такая особенность не нужна. К тому же, в схемах по две индуктивности, что мне кажется лишним усложнением (и удорожанием) в данном случае.

Выбираем простые повышающий и инвертирующий преобразователи.

Кстати, эти симпатичные картинки из книги Power Topologies Handbook.

Материал в ней расположен удобно. Есть также краткая версия Power Topologies Quick Reference Guide.

Я решил остановиться на микросхемах Texas Instruments. У них довольно подробные даташиты, множество рекомендаций по применению (application notes и др.), полезных программ. Для быстроты поиска микросхемы используем WEBENCH Power Designer. Вводим входные и выходное напряжения, ток и из списка предложенных микросхем выбираем наиболее понравившуюся.

Важную роль в этом сыграла доступность и стоимость микросхемы.

Там же можно немного помоделировать схему и посмотреть, какие компоненты рекомендует программа.

После некоторых поисков, сравнений стоимости и доступности микросхем я остановился на двух – LMR62014 (для линии +15 В) и LMR64010 (для линии +22 В). LMR62014 не подходит для +22 В из-за ограничения на выходное напряжение в 20 В.

Подберём теперь микросхему для инвертирующего (inverting) преобразователя. Идём в магазин.

У начинающих может возникнуть вопрос: для повышающих и понижающих топологий микросхемы есть, а для инвертирующих нет? Как так?

Всё просто! Инвертирующий преобразователь (inverting buck-boost) можно реализовать на основе микросхемы понижающего (buck). Есть хорошая апнота Working with Inverting Buck-Boost Converters (snva856b) от TI по применению микросхем понижающих (buck) преобразователей для инвертирующих.

В процессе поиска мне попалась неплохая дешёвая микросхемка понижающего преобразователя AOZ1280CI. На основе неё сделаем инвертирующий преобразователь.

Оценочный расчёт можно провести с помощью Power Stage Designer Tool.

Посмотрим, подойдёт ли AOZ1280CI для линии -15 В:

1. Максимальное напряжение, которое будет приложено к микросхеме
   5.5 В + |-15 В|=20.5 В (< максимума = 26 B => подходит)

2. Максимальный ток в индуктивности Power Stage Designer Tool насчитала 995 мА (< минимального Current Limit =1.5 A => подходит)

3. Коэффициент заполнения 77 % (< Dmax=87 %, есть запас => подходит)

Посчитаем для линии -20 В:

1. Максимальное напряжение 5.5 В + |-20 В|=25.5 В (< 26 B => подходит). Если смотреть максимальное напряжение Vin в Absolute Ratings AOZ1280CI, то там 30 В. Запас есть, всё хорошо.

2. Максимальный ток в индуктивности Power Stage Designer Tool насчитала 92 мА (< минимального Current Limit =1.5 A => подходит)

3. Коэффициент заполнения 82 % (< Dmax=87 %, есть запас => подходит)

Оценочный расчёт сделали, микросхемы и топологии выбрали. Теперь рассчитаем и подберём остальные детали.

Идём на сайт TI и смотрим, что у них есть интересного для LMR62014. Скачаем spice-модель – может пригодится нам позже. Также есть разные апноты и рекомендации по применению: Working with Boost Converters snva731, Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage slva372d и другие.

Для AOZ1280 модельки не нашлось. Зато есть расчётка (которая нам не поможет, так как она для понижающей топологии ☺). Даташит AOZ1280 не такой подробный, как у TI. Но AOZ1280 стоит в два раза дешевле LMR62014.

А можно как-нибудь применить LMR62014 и для линии +22 В? Это весьма привлекательное решение, так как она несколько дешевле LMR64010 (была на момент проектирования). Заодно уменьшилось бы количество наименований в списке компонентов, что тоже хорошо. Конечно можно!

❯ Boost с удвоителем напряжения

Для топологии boost с умножителем на 2 каскад повышающего преобразователя рассчитывается на напряжение в 2 раза ниже выходного, но ток в 2 раза больше выходного. Такая схема снижает напряжение на диодах выпрямителя, выходных конденсаторах, конденсаторе передачи энергии и силовом ключе до Vout/2, что является основным преимуществом. Транзистор и катушка индуктивности будут работать почти с тем же пиковым током и рабочим циклом, что и в схеме без удвоителя, поскольку общая мощность на выходе не изменится.

На картинке ниже приведён boost с умножителем на 3 (картинка нашлась только в таком качестве, но общая идея понятна). Если нужно, можно добавить ещё умножителей.

Также есть любопытный вариант с инвертированием напряжения.

Например, микросхема LT3463 использует эту топологию совместно с топологией повышающего преобразователя.

> Продолжение в источнике материала на Хабре. Увы, все фото не влезли, а именно в них вся суть и самое вкусное. :)

• Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропустить новые интересные материалы.

• Также подписывайтесь на наш телеграмм-канал — только здесь, технично, информативно и с юмором об IT, технике и электронике. Будет интересно.

• Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать наши проекты.

«Понарошку счастья крошку на ладошку положу,
Аккуратно с красным бантом я обёртку развяжу.
Аппетитно, очень сытно, эта форма всех влечёт,
Ароматный и приятный получаю я зачёт.
*
Я шоколадный заяц, я ласковый мерзавец, я сладкий на все сто, о-о-о.
Я шоколадный заяц и, губ твоих касаясь, я таю так легко, о-о-о...»