Наверняка многие из вас уже давно используют плату Raspberry Pi для создания множества интересных проектов. Но часто мы сталкиваемся с проблемой выбора лучшего источника питания для наших проектов, и иногда, когда питание отключается, наш Raspberry Pi резко выключается, что может повредить операционную систему (ОС) или, в худшем случае, повредить саму плату. Поэтому в данной статье мы рассмотрим создание Raspberry Pi Zero HAT (платы расширения), которую можно установить непосредственно поверх платы Raspberry Pi Zero (или любой другой платы Raspberry Pi). Эта Raspberry UPS HAT будет иметь зарядное устройство для одной литий-ионной батареи 18650 на базе TP4056, держатель для одной ячейки 18650 и усилитель на базе MT3608, который увеличит входное напряжение до 5 В для питания Raspberry Pi.

Вся наша плата расширения (HAT) будет сделана в виде компактной печатной платы. Из-за ее небольшого размера мы можем легко носить ее с собой вместе с нашим Raspberry Pi.

Помимо того, что наша плата служит источником питания для Pi, наш Raspberry Pi HAT также имеет несколько дополнительных выходов питания, таких как выходной порт USB и несколько дополнительных контактов 5 В и 3,3 В, которые можно использовать для питания других датчиков и модулей, которые мы, возможно, захотим использовать вместе с нашим Raspberry Pi.

Компоненты, необходимые для создания Raspberry Pi HAT

• Модуль TP4056
• USB-гнездо "мама"
• Держатель литий-ионного аккумулятора 18650
• 18650 литий-ионный элемент
• SMD-компоненты (согласно схеме)

Примечание: Я прилагаю спецификацию к этой статье, вы можете скачать ее и посмотреть компоненты SMD и THT, необходимые для создания печатной платы.

Потребление энергии Raspberry Pi

Поскольку расчет и оценка энергопотребления для проекта является необходимой задачей для инженера, мы должны знать энергопотребление в режиме ожидания отдельного Raspberry Pi. Я перечислил некоторые из наиболее часто используемых случаев здесь:

Компонент	Потребляемая мощность (при 5 В)
Raspberry Pi zero 2W HDMI выключен, светодиод выключен	100 мА (0,6 Вт)
HDMI выключен, светодиод выключен, встроенный Wi-Fi включен	120 мА (0,7 Вт)
Raspberry Pi zero HDMI выключен, светодиод выключен, Wi-Fi включен	120 мА (0,7 Вт)
Raspberry Pi 2 B в режиме ожидания	220 мА (1,1 Вт)
Ab -n 100 -c 10 (некэшированный)	450 мА (приблизительно 2,3 Вт)
Загрузка ЦП 400%	400 мА (приблизительно 2,1 Вт)
Raspberry Pi 3 B в режиме ожидания	260 мА (1,4 Вт)
Ab -n 100 -c 10 (некэшированный)	480 мА (2,4 Вт)
Загрузка ЦП 400%	730 мА (3,7 Вт)
Raspberry Pi 3 B+ в режиме ожидания	350 мА (1,9 Вт)
Ab -n 100 -c 10 (некэшированный)	950 мА (5,0 Вт)
Загрузка ЦП 400%	980 мА (5,0 Вт)
Raspberry Pi 4 B в режиме ожидания	540 мА (2,7 Вт)
Ab -n 100 -c 10 (некэшированный)	1010 мА (5,1 Вт)
Загрузка ЦП 400%	1280 мА (6,4 Вт)

Примечание: Мы не учитываем мощность, потребляемую мышью и клавиатурой или другими периферийными устройствами, поскольку они потребляют соответствующую мощность и могут быть добавлены к указанной выше мощности.

Схема Raspberry Pi HAT

Здесь вы можете видеть, что в схеме есть модуль TP4056, который будет заряжать наш элемент 18650, и он прикреплен с помощью ползункового переключателя. Длинный штекерный разъем предназначен для монтажа Raspberry Pi с помощью его GPIO. В середине схемы находится микросхема MT3608, которая будет повышать напряжение питания с 3,3 В до 5 В для Raspberry Pi. MT3608 — это повышающий преобразователь постоянного тока, который может выдавать выходной ток до 2 А. Более конкретно, он поддерживает широкий диапазон входного напряжения, то есть от 2 В до 24 В постоянного тока, и может выдавать выходной сигнал от 5 В до 28 В. Повышающий преобразователь используется для повышения низкого напряжения до более высокого. Это тип импульсного источника питания, поскольку он использует коммутационное устройство для регулирования напряжения. В нашем случае микросхема MT3608 — это коммутационный модуль, который имеет высокую частоту переключения 1,2 МГц.

Всякий раз, когда ток проходит через индуктор (L1), он индуцирует некоторое магнитное поле. Теперь, когда мы изменяем уровень тока, проходящего через него, магнитное поле разрушается, генерируя высокий всплеск напряжения. Наличие высокочастотной микросхемы переключения (MT3608) позволяет реализовать этот принцип, генерируя и разрушая магнитное поле, индуцированное индуктором. Когда модуль переключения выключен, всплеск напряжения проходит через диод Шоттки (D1) и сохраняется в конденсаторе (C2), тем самым увеличивая напряжение конденсатора, и мы получаем более высокий уровень выходного напряжения через конденсатор. Диод Шоттки (D1) играет важную роль в блокировке обратного тока в цепи.

Теперь выходное напряжение усилителя можно установить, рассчитав правильную пару резисторов, здесь нам требуется примерно 5,2 В для питания платы Raspberry Pi. Таким образом, соотношение будет следующим:

Где Vref = 0,6 и Vout составляет 5,2 В.

Итак, я взял комбинацию резисторов 1,2 кОм и 150 Ом в качестве R1 и R2 соответственно, что дало мне почти 5,2 В.

Схема и компоновка печатной платы

Изображение компоновки печатной платы для нашего проекта приведено на рисунке. Я также прилагаю 3D-вид печатной платы, которую я сделал, и прилагаю полный файл gerber печатной платы, вы можете легко загрузить его и заказать изготовление печатной платы в любом месте, в котором вы привыкли это делать.

3D модель печатной платы показана на следующем рисунке.

Автор данного проекта (ссылка на оригинал приведена в конце статьи) заказывал изготовление данной печатной платы на сервисе 7PCB. В течение пары недель после заказа печатных плат он получил их по своему адресу в аккуратно упакованной коробке. На изображении ниже вы можете видеть как переднюю, так и заднюю сторону печатных плат.

Как вы видите, качество печатных плат очень профессиональное, и у автора проекта не возникло никаких проблем с их использованием. Все отверстия были аккуратно просверлены в точном соответствии с размером, а качество контактных площадок также было хорошим.

Raspberry Pi Battery HAT в собранном виде

На изображениях ниже показан Raspberry Pi Power HAT после сборки. Здесь вы увидите, что аккумулятор 18650 вставлен в держатель, а все компоненты припаяны. Вы также можете увидеть, как плата крепится к Raspberry Pi Zero.

Тестирование Raspberry Pi Zero Battery HAT

Теперь, когда мы создали нашу Li-ion Battery Hat для Raspberry Pi, пришло время ее протестировать. Чтобы продемонстрировать, что все работает нормально, мы подключили RPI UPS HAT к Raspberry Pi и также использовали его USB-порт для питания 7-дюймового HDI-экрана.

Как вы можете видеть на изображении выше, Raspberry Pi Battery Hat не только может питать и загружать плату Raspberry Pi, но и питать ЖК-экран. Теперь, как долго он сможет питать, зависит от того, какие еще периферийные устройства подключены к Pi и сколько вычислительной мощности используется. Вы также можете проверить полную работу этого проекта в видео, приведенном ниже. 

Заключение

Таким образом, мы успешно изготовили и протестировали нашу настроенную Raspberry Pi HAT для различных версий Raspberry Pi. Эта печатная плата будет очень полезна, когда вы хотите создавать проекты, требующие маломощной независимой установки. И она может работать для многих других приложений.

Видео, демонстрирующее работу проекта

Источник статьи

6 просмотров