Шунтовые системы заряда позволяют аккумулировать энергию и обеспечивают защиту батарей


PDF версия

В статье обсуждаются проблемы проектирования маломощных систем заряда батарей, которые применяются в широком спектре устройств. Рассмотрены системы заряда на базе шунтовой архитектуры, которые представляют собой эффективное решение для заряда различных типов батарей и обеспечивают их защиту. Статья представляет собой перевод [1]. Припечание: в статье оставлена терминология оригинала. В русскоязычной литературе вместо термина «шунтовой ИОН», часто используют термин «параллельный ИОН»

Введение

Только вступив в начальный этап своего внедрения на рынке, микросхемы для аккумулирования энергии уже стали способны преобразовывать сигнал с выхода датчика в электрический ток, используемый для заряда батарей. Последние разработки в области аккумулирования энергии позволили сделать эту технологию коммерчески рентабельной, хотя она появилась сравнительно недавно — в начале 2000-х годов. Возможные области применения систем аккумулирования энергии весьма широки и включают в себя следующие приложения.
Устройства заряда систем с батарейным питанием в случаях, когда замена батарей затруднительна, нецелесообразна или опасна.
Исключение необходимости в проводах для подведения питания или для передачи данных.
Сети интеллектуальных беспроводных датчиков для мониторинга и оптимизации сложных промышленных процессов, удаленного полевого оборудования и систем отопления и охлаждения зданий.
Аккумулирование тепла, генерируемого производственными процессами, солнечными панелями, двигателями внутреннего сгорания.
Разнообразные зарядные устройства для потребительской электроники.
Во многих из этих приложений используются импульсные или маломощные источники питания. И во многих устройствах требуется заряжать аккумуляторную батарею для резервного источника питания.
Шунтовые источники опорного напряжения (ИОН) просты в употреблении и применяются во множестве устройств. Однако они не способны эффективно заряжать батарею. Чрезвычайно трудно создать на их базе устройство для заряда батарей. Кроме того, трудно добиться возможности с высокой точностью и безопасно заряжать литий-ионный/полимерные батареи, плоские круглые аккумуляторы или тонкопленочные батареи от слаботочного или импульсного источника аккумулирования энергии.
Несмотря на технологические достижения, для элементов питания и аккумуляторов в портативных электронных устройствах все же требуется защита и согласование, чтобы обеспечить им оптимальный режим работы. Литий-ионные/полимерные батареи представляют собой хорошо отработанную технологию и, потому, весьма популярны для использования во многих электронных устройствах из-за их высокой удельной энергоемкости, низкого саморазряда, невысоким эксплуатационным расходам и широкому диапазону напряжений. Плоские круглые аккумуляторы обеспечивают высокую плотность энергии, стабильные характеристики разряда и малый вес в компактном форм-факторе. Тонкопленочные батареи являются перспективной технологией, обладающей такими преимуществами, как большое число циклов заряда и физическая гибкость, т.е., такие элементы питания могут быть созданы практически любой формы, идеально подходящей для конечного приложения. Однако во всех этих типах батарей могут возникать неблагоприятные эффекты, если не заряжать их правильно и не обеспечить требуемые режимы работы.

Проблемы проектирования маломощных заряжающих устройств

Регулируемый шунтовой источник напряжения можно запрограммировать на необходимое напряжение холостого хода батареи, но у него отсутствует свойство отрицательного температурного коэффициента, которое нужно для зарядного устройства. Гораздо более важно то, что необходим слишком высокий рабочий ток, так что заряжать батареи от маломощных или импульсных источников не практично. Как вариант, дискретный шунтовой источник может быть построен на основе зенеровского диода, резисторов, npn-транзистора и компараторов для реализации функции отрицательного температурного коэффициента. Однако он будет все же обладать недостатками, указанными выше. Кроме того, его реализация может быть довольно громоздка, а площадь, занимаемая устройством на плате слишком велика.
Для типовой микросхемы для заряда батарей требуется постоянное входное напряжение, и они не могут работать при внезапном увеличении уровня мощности. Однако в импульсных источниках аккумулирования энергии, таких как установленные в помещении фотоэлектрические батареи или пьезоэлектрические датчики, наблюдаются выбросы мощности. Для заряда батарей от такого типа источников энергии требуются уникальные микросхемы с рабочим током менее 1 мкА.
Литий-ионные/полимерные батареи обладают высокими характеристиками, которые необходимы для портативных электронных устройств, но их следует эксплуатировать с осторожностью. Так, например, литий-ионные/полимерные элементы могут стать нестабильными, если их зарядить до напряжения, превышающего на 100 мВ рекомендуемый для них уровень напряжения холостого хода. Кроме того, одновременное воздействие высокого напряжения и высокой температуры негативно сказывается на сроке службы батареи и в экстремальных случаях может привести к их саморазрушению. Кроме потенциально вредного воздействия высокого напряжения и высокой температуры, недостаток плоских круглых аккумуляторы и тонкопленочных батарей заключается в их невысокой емкости из-за небольшого форм-фактора.

Основы и преимущества шунтовой архитектуры построения источников тока

Шунтовой опорный источник тока — это 2-выводное устройство, которое не потребляет ток, пока напряжение на нем не достигнет заданного значения. Шунтовой источник используется подобно зенеровскому диоду и часто обозначается на электрической схеме как зенеровский диод. Однако в большинстве случаев шунтовые источники построены на базе источника опорного напряжения на основе ширины запрещенной зоны (bandgap reference voltage).
Шунтовой источник требует только одного внешнего резистора для регулировки выходного напряжения, что делает его чрезвычайно простым в использовании. В таких источниках нет ограничения на максимальное входное напряжение, а минимальное входное напряжение устанавливается с помощью опорного напряжения, поскольку для надежной работы устройства необходим некоторый запас по напряжению.
Кроме того, шунтовые источники имеют хорошую стабильность в широком диапазоне токов. Многие шунтовые источники также стабильны при работе на высокую и низкую емкостную нагрузку.

Простое решение

Любое решение, которое удовлетворяет требованиям для микросхем контроля заряда батареи, описанным выше, должно сочетать характеристики шунтирующего стабилизатора и микросхемы контроля заряда с возможностью заряда батареи от маломощного постоянного или импульсного источника. Такое устройство, кроме того, должно обеспечивать защиту и максимальные характеристики литий-ионной/полимерной батареи, плоского круглого аккумулятора или тонкопленочной батареи.
Компания Linear Technology разработала первые в отрасли микросхемы для заряда батарей с шунтовой архитектурой — LTC4070 и LTC4071, которые предназначены для таких приложений. LTC4070 — простая в употреблении, компактная микросхема на базе шунтовой архитектуры для заряда литий-ионных/полимерных батарей, плоских круглых аккумуляторов и тонкопленочных батарей. Обладая рабочим током 450 нА, эта микросхема обеспечивает защиту батарей и обеспечивает их заряд от импульсного или постоянного слаботочного источника. Ток заряда микросхемы LTC4070 может быть увеличен с 50 мА до 500 мА с помощью дополнительного внешнего p-МОП шунтирующего транзистора. Встроенная схема стабилизации теплового режима понижает напряжение холостого хода батареи, что обеспечивает защиту литий-ионных/полимерных батарей при повышении температуры батареи. Многоэлементные батарейные блоки можно заряжать и обеспечить их балансировку путем последовательного включения нескольких микросхем LTC4070. Заключенный в низкопрофильный (высотой 0,75 мм) 8-выводной корпус DFN размером 2×3 мм, LTC4070 обеспечивает полное и сверхкомпактное решение для заряда батарей с использованием всего одного внешнего резистора, который включается последовательно ко входному напряжению. Набор эксплуатационных характеристик устройства хорошо подходит для приложений как с постоянным, так и импульсным маломощным источником тока, в том числе для систем с питанием от литий-ионных/полимерных батарей, тонкопленочных батарей, плоских круглых батарей, устройств резервного питания памяти, систем с питанием от солнечных элементов, встраиваемых автомобильных систем и систем аккумулирования энергии.
В LTC4070 предусмотрена возможность выбора напряжения холостого хода батареи из ряда: 4,0, 4,1 и 4,2 В с 1-% точностью, что позволяет пользователю найти оптимальное соотношение между удельной энергоемкостью и сроком службы батареи. Независимые выходы контроля состояния батарей позволяют контролировать состояние разряда или полного заряда батареи. Совместно с внешним транзистором P-FET, включенным последовательно с нагрузкой, выход состояния разряда батареи обеспечивает функцию автоматического отсоединения системной нагрузки от батареи для защиты батареи от глубокого разряда.
В дополнение к компактному 8-выводному корпусу DFN (размером 2×3 мм) LTC4070 также предлагается в 8-выводном корпусе MSOP. Прибор рассчитан на работу в температурном диапазоне от –40 до 125°C.
LTC4070 обеспечивает простое, надежное и высококачественное решение для защиты и заряда батареи, а также предотвращает превышение запрограммированного уровня напряжения батареи. Шунтовая архитектура устройства требует применения всего одного резистора, включенного между входным источником питания и батареей, что позволяет использовать прибор в широком спектре приложений. Когда входное напряжение исчезает, а напряжение на батарее становится ниже выходного напряжения заряженной батареи, LTC4070 потребляет от батареи всего 450 нА.
Когда напряжение батареи меньше запрограммированного значения напряжения холостого хода, скорость заряда определяется входным напряжением VIN, напряжением батареи VBAT и сопротивлением входного резистора RIN:

 

ICHG = (VIN – VBAT)/RIN.

 

По мере того, как напряжение батареи приближается к напряжению холостого хода, LTC4070 шунтирует ток из батареи, тем самым, снижая ток заряда. Микросхема LTC4070 способна шунтировать ток до 50 мА с ±1-% точностью задания напряжения холостого хода батареи в диапазоне рабочих температур. Ток шунта ограничивает максимальный ток заряда, но предельную нагрузочную способность по току (50 мА) можно увеличить с помощью внешнего p-канального MOSFET, как показано на рис. 1.
В состав LTC4070 входит усилитель EA для управления p-канальным MOSFET (см. рис. 2). В этом устройстве будет протекать нулевой ток до тех пор, пока напряжение между VCC и GND не достигнет VF (т.е. напряжения шунтирования). VF можно подстраивать с помощью выводов ADJ и NTC, но оно всегда лежит в диапазоне между 3,8 и 4,2 В. Если напряжение VCC меньше этого уровня, то ток через PFET равен нулю. Если напряжение VCC стремится вырасти выше VF, то в этом устройстве протекает ток, препятствуя увеличению напряжения — это шунтирующий ток.

 

Рис. 1. Типовая схема включения LTC4070

Рис. 2. Блок-схема LTC4070

Рабочий ток — это ток, который требуется для питания всей схемы на кристалле. Если внешнее питание отсутствует, то этот ток будет вытекать из батареи.
Когда на батарее напряжение низкое, на входном резисторе падает более высокое напряжение, поэтому ток, втекающий в батарею (т.е. ток заряда), немного увеличивается, по сравнению с током полностью заряженной батареи. Когда батарея полностью заряжена, то ток в батарею не течет, и весь входной ток шунтируется.
Рабочий ток важен, поскольку он устанавливает нижний предел нагрузочной способности реального источника тока на входе. Очевидно, что входной источник с нагрузочной способностью всего 100 нА не будет способен заряжать батарею с помощью LTC4070. Однако при нагрузочной способности 1 мкА небольшая величина тока остается для заряда. Если нагрузочная способность составляет 10 мкА, то более 90% этого тока доступно для заряда.

Схема нормализации режима работы батареи с отрицательным температурным коэффициентом обеспечивает их защиту

LTC4070 измеряет температуру батареи с помощью термистора с отрицательным температурным коэффициентом, который термически связан с батареей. Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом имеют тепловые характеристики, которые задаются с помощью таблиц соответствия сопротивления и температуры. Встроенная схема с отрицательным температурным коэффициентом обеспечивает защиту батареи от перегрева, уменьшая ее напряжение холостого хода, когда температура батареи превышает 40°C более, чем на 10°C (см. рис. 3).

 

Рис. 3. Зависимость напряжения холостого хода батареи от температуры в LTC4070

Для измерения температуры в LTC4070 используется соотношение между сопротивлением резистора и измеряемой температурой батареи. LTC4070 содержит резистивный делитель напряжения между выводами NTCBIAS и GND с четырьмя промежуточными точками. Для того, чтобы измерить температуру батареи, напряжение в этих точках циклически сравнивается с напряжением на выводе NTC. Чтобы сэкономить энергию, температура батареи измеряется периодически, подключая вывод NTCBIAS к потенциалу VCC примерно каждые 1,5 с.

Другие важные функции

LTC4070 имеет встроенный декодер 3-х состояний, соединенный с выводом ADJ, который задает три программируемых уровня напряжения холостого хода батареи: 4,0 В, 4,1 В или 4,2 В. Напряжение холостого хода программируется на 4,0 В, когда вывод ADJ подсоединяется к потенциалу GND, 4,1 В — когда вывод ADJ остается плавающим и 4,2 В — когда вывод ADJ подсоединяется к VCC. Состояние на выводе ADJ выбирается примерно каждые 1,5 с. Когда происходит выборка состояния, к выводу ADJ микросхемы LTC4070 прикладывается напряжение, соответствующее со сравнительно низкому импедансу. Данный метод позволяет исключить влияние утечек печатной платы на величину программируемого напряжения холостого хода батареи. Устранение резисторов не только уменьшает размеры устройства, но также снижает рабочий ток, поскольку становятся не нужными резисторы с высокими номиналами сопротивления.
Устройство также содержит выходы состояния и систему сигнализации. Выход High Battery Monitor Output (HBO) — КМОП-выход с активным состоянием высокого уровня, который показывает, что батарея полностью заряжена и ток отводится от батареи. Выход Low Battery Monitor Output (LBO) — также КМОП-выход с активным состоянием высокого уровня, который показывает, что батарея разряжена до напряжения менее 3,2 В. Наконец, вывод для управления внешними ключами DRV может быть подсоединен к затвору P-FET для увеличения шунтирующего тока для приложений, в которых требуется ток заряда, превышающий 50 мА (максимально до 500 мА).

LTC4071 содержит защиту аккумуляторной батареи

Микросхема LTC4071 представляет собой систему заряда батарей шунтирующего типа, со встроенной защитой аккумуляторной батареи, которая позволяет отсоединить батарею с низким уровнем заряда. По сравнению с LTC4070, в LTC4071 содержится интегрированный блок защиты аккумуляторной батареи (отсоединение разряженной батареи), но максимальный ток заряда снижен до 50 мА, ток покоя выше и составляет 550 нА, а выход LBO отсутствует. Отсоединение разряженной батареи является критически важной функцией, которая необходима для защиты батарей с низкой емкостью от разрушения из-за саморазряда. В то время как LTC4070 может выполнять функцию отсоединения разряженной батареи с помощью выхода LBO и внешнего P-FET, эта микросхема продолжает потреблять полный рабочий ток IQ (около 0,5 мкА) от батареи. Ток, потребляемый батареей, может разрушить батарею с низким уровнем заряда за одну ночь. В LTC4071 предусмотрено полное отключение разряженной батареи, и микросхема практически не потребляет ток от батареи (ток потребления не более 1 нА при комнатной температуре и менее 25 нА при температуре 125°C). Чтобы обеспечить эту возможность в LTC4071, выходы LBO и DRV из микросхемы были исключены (см. рис. 4). В результате, максимальный шунтирующий ток в LTC4071 зафиксирован на уровне 50 мА (в LTC4070 шунтирующий ток также равен 50 мА, но его можно увеличить до 500 мА при использовании внешнего FET) и увеличен рабочий ток до 550 нА (в LTC4070 рабочий ток равен 450 нА). В таблице 1 приведены сравнительные характеристики двух микросхем.

 

Таблица 1. Сравнение LTC4070 и LTC4071

Обозначение
микросхемы

LTC4071

LTC4070

Топология

Система заряда батарей на базе шунтовой архитектуры

Система заряда батарей на базе шунтовой архитектуры

Тип батарей

Литий-ионная/Полимерная

Литий-ионная/Полимерная

Напряжение холостого хода батареи, В

4,0; 4,1; 4,2

4,0; 4,1; 4,2

Максимальный шунтирующий ток, мА

50 (10 мкА, мин.)

50 (10 мкА, мин.)

(500 мА с внешним PFET)

Рабочий ток

550 нА (тип.)

1,2 мкА (макс.)

450 нА (тип.)

1,04 мкА (макс.)

Защита от перенапряжения (Зенеровский диод)

Есть

Есть

Защита от понижение напряжения (Отсоединение батареи с недостаточным уровнем заряда)

Есть, внешняя, программируемая

Есть, фиксированная,
внешний PFET + резистор + 2 инвертора

Отсоединение нагрузки

Есть, отсоединение нагрузки и батареи

Внешний PFET (отсоединение только нагрузки)

Совместимость с аккумулятором

Есть

Есть

Индикаторы состояния

HBO

LBO, HBO

Измерение температуры батареи/термистор с отрицательным температурным коэффициентом

Есть

Есть

Корпус

8-выводной DFN (2×3 мм), 8-выводной MSOP

8-выводной DFN (2×3 мм), 8-выводной MSOP

 

Рис. 4. Типовая схема включения LTC4071

 

Заключение

Шунтовые источники тока имеют множество приложений и, в зависимости от набора функций, могут использоваться, в том числе, для заряда батарей. Однако этот тип систем заряда имеет много недостатков, в том числе высокий рабочий ток и отсутствие возможности защиты батареи. В настоящее время успешное внедрение приложений с аккумулированием энергии требует правильного выбора DC/DC-преобразователя или системы заряда батарей. Компания Linear Techno­logy разработала системы заряда батарей на базе шун­товой архитектуры LTC4070 и LTC4071 для литий-ион­ных/полимерных батарей, круглых плоских аккумуляторов, а также тонкопленочных батарей, которые обеспечивают простое, эффективное решение для заряда и защиты батарей в новейших приложениях, использующих маломощные источники тока.

Литература
1. Steve Knoth. Shunt Charger Systems Harvest Power & Protect Battery Packs//www.powersystemsdesign.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *