PwrBlock: testy prototypu źródła zasilania

Otwarty, programowalny zasilacz PwrBlock: testy pierwszych prototypów i ich charakterystyki

PwrBlock to otwarty, programowalny zasilacz przeznaczony do stołów pomiarowych oraz zautomatyzowanej weryfikacji urządzeń elektronicznych. Projekt przeszedł od schematów do fizycznych prototypów: zmontowano próbne jednostki, przetestowano kluczowe tryby pracy i potwierdzono deklarowane parametry. Urządzenie zapewnia stabilne zasilanie z precyzyjnym monitorowaniem wszystkich parametrów — bez konieczności modyfikowania komercyjnych przyrządów pomiarowych.

Kluczowe komponenty urządzenia

Konstrukcja prototypu skupia się na kompaktowości, dokładności pomiarów oraz elastyczności sterowania przez interfejsy. Główne elementy to:

• Zabezpieczenie TPS25983: zakres napięcia wejściowego 2,7–26 V, wbudowany klucz FET o oporze 2,7 mΩ przy prądzie 20 A.
• Mikrokontroler STM32G0C1CE: rdzeń Cortex-M0+ taktowany zegarem 64 MHz, 512 KB pamięci Flash oraz wbudowany kontroler USB Type-C PD — eliminuje potrzebę osobnej układu specjalnego.
• Monitor INA229: pomiar napięć do 85 V, rozdzielczość 20-bitowa, interfejs SPI, przerwania przy przekroczeniu progów, czujnik temperatury z dokładnością ±1°C. Mierzy prąd, napięcie, moc i energię bez konieczności kalibracji.
• Przetwornica DC-DC LM51772: topologia buck-boost, konfigurowana przez I²C.

// Przykład typowej komendy I²C do konfiguracji LM51772 (kod pseudokodowy)
write_i2c(0x40, REG_VOUT, 32000);  // 32 V
write_i2c(0x40, REG_ILIM, 3000);   // 3 A

Te komponenty umożliwiają ustawienie napięcia wyjściowego w zakresie 1–32 V oraz prądu do 3 A.

Test maksymalnej mocy

Prototyp przetestowano w warunkach obciążenia 32 V / 3 A (96 W na wyjściu) przez 3 godziny. Warunki testu: zasilanie z laboratoryjnego źródła napięcia (nie z sieci), obciążenie elektroniczne, płyta bez obudowy i radiatora.

Wyniki:

| Parametr | Wartość |

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

| Pobór mocy | 103,64 W |

| Moc wyjściowa | 96,17 W |

| Sprawność | 92,7% |

| Straty mocy | 7,47 W |

Sprawność odpowiada obliczeniom teoretycznym. Obraz termiczny: korpus indukcyjności osiąga 80°C, układ LM51772 71–72°C, strefa przejść cieplnych od strony dolnej płytki 86°C. Dławik jest projektowany na temperatury do 165°C — przegrzewanie nie wystąpiło. Zalecenia: wzmocnić dławik i zapewnić odprowadzanie ciepła za pomocą termoprzekaźnika.

Regulacja napięcia i prądu

Napięcie regulowane jest przez interfejs I²C: krok 10 mV (1–24 V) lub 20 mV (3,3–32 V). Dodano analogową regulację poprzez pin ATRK układu LM51772 z krokiem 1 mV — funkcja nie jest udokumentowana, ale działa poprawnie.

Dla prądu LM51772 obsługuje ograniczenie średniego prądu za pomocą zewnętrznego szuntu, konfigurowane przez I²C (krok 50 mA). Poniżej 500 mA regulacja nie jest możliwa sprzętowo. Alternatywy:

• Zewnętrzny rezystor ISET sterowany DAC-em mikrokontrolera: kontrola analogowa z rozdzielczością <1 mA, ale pulsacje 6,5 kHz przy prądach poniżej 500 mA.
• Zmiana szuntu: minimalny prąd 250 mA, maksymalny 3,5 A.
• Programowy tryb CC (constant current) dla prądów poniżej 250 mA.

Zakres sprzętowego ograniczenia prądu: 250 mA – 3 A. Cyfrowy krok regulacji: 25 mA.

Obudowa i rozwiązania mechaniczne

Obudowa wykonana z 1-mm blachy aluminiowej: anodowanie, grawerowanie laserowe, sztywność wystarczająca do małoseryjnej produkcji. Płyta montowana jest na dystansach z termoprzekaźnikiem. Problem: warstwa anodowa blokuje połączenie z masą — wymagana jest lokalna oczyszczona powierzchnia kontaktowa. Dodano gniazda montażowe do integracji w stołach pomiarowych. Przycisk zastąpiono nowym modelem z akustycznym kliknięciem i podświetleniem LED.

Kluczowe wnioski

• Sprawność 92,7% przy mocy 96 W bez aktywnego chłodzenia — potwierdzone eksperymentalnie.
• Precyzyjna regulacja: 1 mV dla napięcia, do 25 mA dla prądu w trybie cyfrowym.
• Monitor INA229 dostarcza danych 20-bitowych bez konieczności kalibracji.
• Kod źródłowy i dokumentacja są otwarte — możliwe samodzielne budowanie i rozbudowywanie.
• Ograniczenie prądu (CC) realizowane sprzętowo od 250 mA; niższe wartości obsługiwane wyłącznie programowo.

Planowane ulepszenia

Następne etapy rozwoju:

• Testy w komorze temperaturowej oraz badania zgodności elektromagnetycznej (EMC).
• Optymalizacja odpowiedzi dynamicznej układu.
• Rozszerzenie programowego trybu CC na bardzo małe prądy.
• Finalizacja oprogramowania układowego (firmware).
• Opracowanie specjalistycznych narzędzi do rzeczywistych testów płyt PCB.

PwrBlock integruje się z modułowymi stołami pomiarowymi zawierającymi inne projekty open source (programator, DAQ). Następnym elementem będzie CmptBlock oparty na Raspberry Pi Compute Module z pełnym zestawem wejść/wyjść oraz funkcjami metrologicznymi.

— Editorial Team