PwrBlock: testy prototypu zdroje napájení

PwrBlock: Otevřený programovatelný zdroj napětí – testy prvních prototypů

PwrBlock je open-source programovatelný zdroj napětí určený pro testovací stany a automatizované ověřování elektroniky. Projekt přešel od návrhových schémat k fyzickým prototypům: sestaveny byly funkční vzorky, otestovány klíčové režimy a potvrzeny technické parametry. Zdroj poskytuje stabilní napájení s přesným monitorováním všech parametrů – bez nutnosti úpravy komerčních přístrojů.

Klíčové komponenty zdroje

Konstrukce prototypu klade důraz na kompaktnost, přesnost a řízení přes standardní rozhraní. Hlavní prvky:

• Ochranný obvod TPS25983: rozsah napětí 2,7–26 V, vestavěný FET spínač s odporem 2,7 mΩ při proudovém zatížení až 20 A.
• Mikrokontrolér STM32G0C1CE: jádro Cortex-M0+ s taktem 64 MHz, 512 KB flash paměti, integrovaný USB Type-C PD řadič – eliminuje potřebu samostatného řídícího čipu.
• Monitorovací obvod INA229: měření až do 85 V, 20bitové rozlišení, rozhraní SPI, generování přerušení při překročení nastavených hranic, vestavěný teplotní senzor s přesností ±1 °C. Měří proud, napětí, výkon i spotřebovanou energii bez nutnosti kalibrace.
• DC-DC měnič LM51772: topologie buck-boost, nastavení přes I²C.

// Ukázka typického I²C příkazu pro konfiguraci LM51772 (pseudokód)
write_i2c(0x40, REG_VOUT, 32000);  // 32 V
write_i2c(0x40, REG_ILIM, 3000);   // 3 A

Tyto komponenty umožňují nastavit výstupní napětí v rozsahu 1–32 V a maximální proud až 3 A.

Test při maximálním výkonu

Prototyp byl testován po dobu 3 hodin v režimu 32 V / 3 A (96 W na výstupu). Podmínky: laboratorní zdroj místo síťového napájení, elektronická zátěž, deska bez krytu a bez chladiče.

Výsledky:

| Parametr | Hodnota |

|----------|---------|

| Příkon | 103,64 W |

| Výkon na výstupu | 96,17 W |

| Účinnost | 92,7 % |

| Ztráty | 7,47 W |

Naměřená účinnost odpovídá teoretickým výpočtům. Teplotní profil: tělo induktoru 80 °C, čip DC-DC 71–72 °C, nejteplejší bod pod deskou (přes přechodové tepelné mosty) 86 °C. Jádro tlumivky vydrží až 165 °C – žádné riziko přehřátí. Doporučení: zesílit tlumivku a zajistit odvod tepla pomocí tepelné vodivé pásky.

Nastavení napětí a proudu

Napětí se nastavuje přes I²C: krok 10 mV (v rozsahu 1–24 V), 20 mV (3,3–32 V). Pro jemnější ladění byla přidána analogová úprava přes pin ATRK u LM51772 s krokem 1 mV – funkce není oficiálně zdokumentována, ale plně funguje.

Pro proud podporuje LM51772 hardwarové omezení průměrného proudu pomocí externího shuntu, nastavitelné přes I²C (krok 50 mA). Níže 500 mA není možné proud jemně regulovat. Alternativní řešení:

• Externí rezistor ISET řízený DAC z mikrokontroléru: analogové řízení s rozlišením pod 1 mA, ale s pulzacemi 6,5 kHz při proudech pod 500 mA.
• Výměna shuntu: dolní mez omezení 250 mA, maximální proud až 3,5 A.
• Softwarový CC-režim pro proud pod 250 mA.

Hardwarový rozsah CC-režimu: 250 mA – 3 A. Digitální krok nastavení: 25 mA.

Kryt a mechanická konstrukce

Kryt z hliníkového plechu tloušťky 1 mm: anodizace, laserové gravírování, dostatečná tuhost pro malosériovou výrobu. Deska je upevněna distančními sloupky s tepelně vodivou mezipodložkou. Problém: anodizovaná vrstva izoluje uzemnění – nutné je lokální odstranění povrchové úpravy na kontaktových plochách. Do krytu jsou integrovány závity pro montáž do testovacích stanic. Tlačítko bylo aktualizováno na verzi s akustickým kliknutím a LED podsvícením.

Co je důležité

• Účinnost 92,7 % při výkonu 96 W bez aktivního chlazení – potvrzeno praktickými testy.
• Vysoká přesnost nastavení: 1 mV pro napětí, až 25 mA pro proud v digitálním režimu.
• Monitorovací obvod INA229 poskytuje 20bitová měření bez nutnosti kalibrace.
• Open-source projekt: možnost samostatné sestavy i dalších úprav podle potřeby.
• Hardwarové omezení proudu (CC) od 250 mA; nižší hodnoty lze řídit pouze softwarově.

Plánované vylepšení

Další kroky vývoje:

• Teplotní testy v klimatické komoře a zkoušky elektromagnetické kompatibility (EMC).
• Optimalizace dynamických vlastností (např. doba odezvy na změnu zátěže).
• Implementace softwarového CC-režimu pro nízké proudy.
• Dokončení firmware – stabilní verze s kompletní funkcionalitou.
• Výroba speciálního příslušenství pro reálné testování desek plošných spojů.

PwrBlock se snadno integruje do modulárních testovacích stanic spolu s dalšími open-source bloky (programátor, DAQ). Dalším projektem je CmptBlock založený na Raspberry Pi Compute Module s rozšířenými I/O funkcemi a metrologickou přesností.

— Editorial Team