Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Суббота, 21 сентября
 
 


Это интересно!

Ранее

Цифровое управление питанием приходит на смену аналоговому

Основными преимуществами цифрового источника управления питанием по сравнению с аналоговым являются его гибкость и быстрая адаптация к постоянно изменяющимся требованиям, техническим и окружающим условиям. Но несмотря на это цифровое управление питанием все еще не нашло широкого применения, и многие разработчики и инженеры сомневаются в целесообразности перехода от аналогового электропитания к цифровому из-за высокой трудоемкости и затрат. Цель статьи — показать необоснованность этих опасений и представить основные преимущества цифрового метода.

Выбор источника опорного напряжения. с чего начать?

Источник опорного напряжения (ИОН) (реже — тока) является важнейшим элементом АЦП или ЦАП. От его точности и стабильности зависит точность всей системы. Многие преобразователи имеют встроенный ИОН. Рассмотрим вопросы, которые наиболее часто возникают при выборе ИОН.

Светодиодные линейные драйверы серии NSI45/50XXX от ON Semiconductor

Компания ON Semiconductor выпускает широкую номенклатуру светодиодных драйверов с использованием различных технологий преобразования энергии. В данной статье дан обзор новинок линейных светодиодных драйверов серии NSI45XXX и NSI50XXX, разработанных компанией ONSEMI за последнее время.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

1 июля

Интеллектуальные контроллеры зарядки аккумуляторов

В статье рассмотрены принципы работы и технические характеристики интегральных схем (ИС), предназначенных для зарядки литиево-ионных аккумуляторов. В отличие от простых функционально несложных микросхем зарядки, в этих ИС используются технологии динамического управления зарядным током аккумулятора, что позволяет снизить требования к предназначенным для зарядки сетевым адаптерам и более эффективно их использовать. Рассмотрены интеллектуальные микросхемы зарядки аккумуляторов, выпускаемые Linear Technology, Maxim Integrated Products и Texas Instruments.



В

портативных устройствах (ноутбуках, мобильных телефонах, КПК и т.д.) часто используются Li-Ion (литиево-ионные) аккумуляторы.
Они заряжаются в комбинированном режиме. Сначала, если аккумулятор разряжен до напряжения ниже 3,0 В, осуществляется предварительная зарядка током небольшой величины, равным, как правило, 10% от максимального тока зарядки. После того как напряжение на аккумуляторе достигнет 3,0–3,2 В, происходит зарядка постоянным током (величиной 0,2–1 емкости аккумулятора) до напряжения 4,1–4,2 В (в зависимости от типа аккумулятора и рекомендаций его производителя), а далее зарядка продолжается при постоянном напряжении (см. рис. 1). При снижении тока зарядки примерно до 5–10% максимального тока процесс зарядки аккумулятора прекращается.

 

Рис. 1. График зависимости тока зарядки от напряжения на аккумуляторе

Введение

На рисунке 2 приведена ставшая классической схема подключения функционально несложных ИС зарядки к аккумулятору и нагрузке. Ряд компаний выпускают несколько типов подобных ИС, среди них микросхемы MAX1811.

 

Рис. 2. Классическая схема подключения контроллера зарядки к аккумулятору и нагрузке


Устройство зарядки отличается простотой и низкой стоимостью, однако непосредственное подключение аккумулятора к нагрузке может вызвать ряд проблем. В данной конфигурации ток ICHG распределяется между нагрузкой и собственно аккумулятором, вследствие чего снижается эффективность процесса зарядки. Более того, при подключении неисправного, либо полностью или же значительно разряженного аккумулятора (к примеру, до 3 В и менее), работа устройства не гарантируется (а зачастую просто прекращается). Малый ток, который генерируется ИС на предварительном этапе зарядки (до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не достигнет порога 3,2 В), не может обеспечить требуемого на этом этапе тока зарядки аккумулятора, поскольку часть его ответвляется в нагрузку (ISYS).
Снижение тока через аккумулятор увеличивает длительность предварительного этапа зарядки, и этот период может затянуться настолько, что превысит запрограммированное на него время. Не исключена также ситуация, при которой ток ISYS может превысить ICHG, в этом случае неизбежна дальнейшая разрядка аккумулятора. Основной недостаток схемы непосредственного подключения контроллера зарядки одновременно к нагрузке и аккумулятору — снижение надежности, поскольку устройство (система) может прекратить работу при глубоко разряженном аккумуляторе.
Чтобы избежать этих проблем, существует довольно простой вы­ход — разделить пути протекания тока зарядки аккумулятора и нагрузки. Для технологии, обеспечивающей независимые пути протекания токов, компания Maxim предложила использовать термин Smart Power Selector, Linear Technology — PowerPath Power Managers и PowerPath Technology, а Texas Instruments — PPM (Power-Path Management).
Микросхемы MAX8844/5, MAX8819 MAX8877А/С и некоторые другие ИС, выпускаемые компанией Maxim, поддерживают технологию Smart Power Selector. Упрощенная структура системы, поддерживающая технологию разделения путей протекания тока нагрузки и зарядки аккумулятора, приведена на рисунке 3. Транзистор VT1 или полностью открыт, или используется в цепи линейного регулятора выходного напряжения VOUT (к примеру, 4,4 В). Таким образом, транзистор VT1 обеспечивает прямое прохождение тока от сетевого адаптера к нагрузке. Транзистор VT2 обеспечивает подключение к нагрузке аккумулятора.

 

Рис. 3. Структура, поддерживающая технологию разделения токов нагрузки и зарядки



Если мощность адаптера ограничена, и он не может обеспечить суммарный ток ISYS + ICHGBAT (что случается при применении недорогих адаптеров), следует предусмотреть возможность ограничения входного тока на уровне допустимого, что можно осуществить только за счет снижения тока зарядки аккумулятора, поскольку ограничение тока через нагрузку недопустимо.
Возможны два метода управления током зарядки и, как следствие, поддержания напряжения на нагрузке в допустимых границах, обеспечивающих работоспособность системы. В первом случае осуществляется контроль суммарного тока потребления, что достигается измерением падения напряжения на низкоомном резисторе RSNS, устанавливаемом на входе ИС зарядки (см. рис. 4). Если достигнут заранее заданный порог, снижается ток зарядки аккумулятора, а напряжение на нагрузке поддерживается неизменным. Для этого метода управления током зарядки компания Texas Instruments предложила термин DPM (Dynamic Power Management).
Во втором методе осуществляется мониторинг напряжения на нагрузке (VOUT) и, если его уровень уменьшается ниже запрограммированного порога (VDPPM_OUT), что, как правило, связано с ограниченными возможностями сетевого адаптера или порта USB, от которого также часто осуществляется подзарядка, то происходит пропорциональное снижение тока зарядки аккумулятора. Эта технология известна под названием DPPM (Dynamic power-path management). Структура, в которой реализована технологию DPPM, приведена на рисунке 5.

 

Рис. 4. Структура контроллера зарядки с использованием технологии DPM



Рис. 5. Структура контроллера зарядки с использованием технологии DPPM

 

Технология Smart Power Selector

В микросхеме MAX8877 (Maxim) реализована технология регулирования тока зарядки, основанная на мониторинге входного тока. Встроенный в микросхему MOSFET-транзистор с сопротивлением открытого канала RDS = 40 мОм используется для подключения аккумулятора к нагрузке. Если при подключенном сетевом
и/или USB-адаптере ток в нагрузке ниже запрограммированного входного тока (т.е. тока ограничения), микросхема MAX8877 обеспечивает зарядку аккумулятора остаточным током
(ICHG_BAT = IIN – ISYS) [3]. При отсутствии аккумулятора питание нагрузки осуществляется от одного из адаптеров, при отсутствии адаптеров — от аккумулятора.
Если ток в нагрузке превышает максимальный ток адаптера, аккумулятор подключается к нагрузке, обеспечивая тем самым дополнительный ток через нагрузку. При этом прекращается зарядка аккумулятора, т.е. при пиковых нагрузках используется запасенная энергия аккумулятора, во всех других случаях осуществляется его зарядка. Ток ограничения по входу (до 2 А) и ток зарядки аккумулятора (до 1,5 А) устанавливаются внешними резисторами. Предусмотрена возможность автоматического выбора источника входного напряжения (USB-порта или сетевого адаптера) и на аппаратном уровне — тока ограничения (100/500 мА) через порт USB.
В основном потери мощности (I2R) в микросхеме происходят в двух транзисторах: входном (с сопротивлением открытого канала RDS = 20 мОм) и тран­зисторе, обеспечивающем подключение аккумулятора к нагрузке (RDS = 40 мОм). Чтобы избежать перегрева микросхемы в MAX8877 предусмотрена защита от перегрева корпуса. Для этого при повышении температуры кристалла до 100°C значение тока ограничения снижается со скоростью 5%/°C. Если, несмотря на уменьшение тока зарядки, температура кристалла повышается до 120°C, то происходит отключение адаптеров от нагрузки и подключение к ней аккумулятора. Следует отметить, что система защиты микросхемы от перегрева работает независимо от системы мониторинга температуры аккумулятора, для чего используется встроенный в аккумулятор термистор.
Микросхема MAX8677A выпускается в корпусе 24-TQFN-EP и имеет размеры 4×4 мм. При монтаже на однослойную печатную плату допустимая мощность рассеивания составляет 1,66 Вт (со сни­жением 20,8 мВт/°C при температуре выше 70°C), тепловое сопротивление 48°C/Вт. При монтаже на многослойную плату — 2,22 Вт (27,8 мВт/°C), тепловое сопротивление 36°C/Вт.

Технология DPM

При использовании технологии DPM выбор адаптера можно производить, исходя из среднего, а не максимального тока потребления. Например, при использовании адаптера (IMAX = 1,5 А), среднем токе через нагрузку 0,5 А и максимальном зарядном токе аккумулятора 1 А, пиковые токовые нагрузки будут обеспечиваться за счет снижения тока зарядки аккумулятора. Это преимущество обеспечивается также и в рассматриваемой далее технологии DPPM. Напряжение на нагрузке остается почти постоянным, поскольку выход адаптера всегда подключен непосредственно к нагрузке, а изменение напряжения VOUT происходит только за счет падения напряжения (IVT1 ∙ RDS) на транзисторе VT1. Поскольку разница напряжений между входом и выходом контроллера зарядки незначительна, рассеиваемая мощность также невелика.
Преимущества технологии DPM:
– возможность использования недорогого адаптера;
– напряжение на нагрузке постоянно;
– достаточно высокий КПД.
Если адаптер рассчитан на ток, меньший, чем запрограммированный порог предельного суммарного тока, то при пиковых нагрузках напряжение на выходе адаптера, и соответственно на нагрузке, будет уменьшаться. При снижении напряжения в сети переменного тока использование технологии DPM не предусматривает возможности уменьшения тока зарядки аккумулятора, что потенциально могло бы сохранить напряжение на нагрузке неизменным.
Недостатки технологии DPM:
– маломощный адаптер может вызвать сбои в работе системы;
– отсутствие защитных мер при снижении напряжения в сети переменного тока.
Ярким примером контроллера зарядки, в котором используется технология DPM, является ИС bq24610/17, обеспечивающая ток зарядки до 10 А.

Технология DPPM

В системах с использованием технологии DPPM осуществляется мониторинг напряжения непосредственно на нагрузке. При уменьшении выходного напряжения до порога (VDPPM_OUT), что может быть вызвано малой нагрузочной способностью сетевого или USB-адаптера, снижением напряжения в сети переменного тока, либо простым отключением адаптера, система регулирования, в первую очередь, уменьшает ток зарядки аккумулятора, чтобы сохранить суммарный ток на уровне, допустимом для адаптера. При больших пиковых нагрузках предусматри­вается также вариант подключения аккумулятора к нагрузке для поддержания энергоснабжения устройства. Все эти меры позволяют использовать недорогой адаптер. Диаграммы, поясняющие принцип работы устройства при выборе технологии DPPM, приведены на рисунке 6 на примере ИС bq2407x с использованием линейного регулятора.

 

Рис. 6. Графики, поясняющие принцип работы технологии DPPM на примере ИС bq2407x


Чем меньше падение напряжения между входом и выходом ИС контроллера зарядки, тем выше КПД. Если порог установлен выше напряжения аккумулятора, то КПД больше, чем в случае, когда порог установлен ниже напряжения аккумулятора. Для снижения суммарной потребляемой микросхемой мощности (что автоматически приводит к повышению КПД) приходится уменьшать сопротивление открытого канала транзистора, контролирующего ток зарядки аккумулятора, что достигается соответствующим увеличением его размеров.
Преимущества технологии DPPM:
– возможность использования недорогого адаптера;
– улучшенная защита от снижения напряжения в сети переменного тока и при использовании недорогих маломощных адаптеров.
Недостатки технологии DPPM:
– кратковременные броски напряжения на нагрузке могут воздействовать на чувствительные цепи, к примеру, аудиоусилителя, что приводит к помехам (щелчкам в громкоговорителе);
– КПД немного ниже по сравнению с технологией DPM и зависит от времени работы ИС в режиме DPPM.
Для минимизации помех, вызванных скачками напряжения на нагрузке, следует как можно выше устанавливать порог (VDPPM_OUT). В таблице 1 приведены параметры некоторых ИС, поддерживающих технологию DPPM.

 

Таблица 1. Параметры контроллеров зарядки, поддерживающих технологию DPPM

Наименование

bq2403x

bq24070/1

bq24072/3/4/5

Разделение пути протекания тока через нагрузку и тока зарядки аккумулятора

+

+

+

Технология DPPM

+

+

+

Защита от перегрева корпуса

+

+

+

Защита от перенапряжения на входе

+

+

Число входов

2

1

1

Ток ограничения через порт USB, мА

100/500

100/500

100/500

Программируемый таймер

+

+

+

Максимальное входное напряжение, В

18

18

28

Максимальный ток зарядки, А

1,5

1,5

1,0

Выходное напряжение, В

4,4/6,0

4,4/6,0

VBAT…5,5

Тип корпуса (размеры, мм)

20-QFN (3,5× 4,5)

20-QFN (3,5× 4,5)

16-QFN (3,0×3,0)


Другие варианты

Во всех рассматриваемых технологиях для поддержания уровня напряжения на нагрузке в допустимом диапазоне и, соответственно, для работоспособности подключенных приборов, приходится уменьшать ток зарядки аккумулятора. В микросхемах bq2403x, bq24070/1, bq24072/3/4/5, MAX8844/5, MAX8819 MAX8877А/С применяются линейные регуляторы с суммарным током до 2 А. В более мощных ИС, созданных на базе импульсных регуляторов напряжения bq2410x, bq24702/3/4/5, bq246хх, обеспечивается ток зарядки вплоть до 10 А (bq24610/17). В микросхемах TPS65800 и bq2403x, bq24070/1, bq24072/3/4/5 используется технология DPPM, в ИС bq2470х, bq24610/17 — DPM.
Микросхемы зарядных устройств, содержащих линейные регуляторы, например, bq2403x/2407x выпускаются в корпусе 20-QFN и имеют размеры 3,5×4,5 мм. Допустимая мощность рассеивания до температуры корпуса 40°C составляет 1,81 Вт (со снижением 21 мВт/°C при температуре выше 40°C), тепловое сопротивление — 46,87°C/Вт. ИС MAX8677A (корпус 24-TQFN-EP) при монтаже на многослойную плату имеет допустимую мощность рассеивания 2,22 Вт.
Обеспечить суммарный ток через миниатюрную микросхему (3,5×4,5 мм) более 2 А весьма проблематично, поскольку увеличивается и рассеиваемая ею мощность. При больших токах целесообразно использовать микросхемы, выполненные на основе импульсных регуляторов, и мощные ключи не интегрировать на кристалле микросхемы, а разместить снаружи. Примером таких ИС являются bq2461х и bq2470х. Возможные схемы подключения нагрузки и аккумулятора к контроллеру зарядки, созданному на базе импульсного регулятора с использованием внешних компонентов, приведены на рисунке 7. Когда адаптер подключен, энергоснабжение нагрузки осуществляется через ключи, выполненные на транзисторах VT1, VT2. В это время ключ VT3 разомкнут, и происходит зарядка аккумулятора. При отключении адаптера нагрузка питается от аккумулятора (ключ VT3 замкнут). Схему можно упростить, исключив транзистор VT2 или оба — VT1 и VT2 (см. рис. 7б). При исключении транзистора VT2 (а все только ради снижения стоимости) схема сохраняет работоспособность. Однако в этом случае выход адаптера через защитный диод транзистора VT1 подключается непосредственно к нагрузке, что исключает защиту от возможной переполюсовки на входе. Для дальнейшего снижения стоимости можно заменить оба транзистора (VT1 и VT2) одним мощным диодом, однако при этом возможно снижение КПД на 5—15% (за счет падения напряжения на диоде), а кроме того эффект ударного возбуждения в цепях питания вследствие подключения адаптера может вызвать другие нежелательные последствия.


 

а)

б)

Рис. 7. Возможные схемы подключения нагрузки и аккумулятора с использованием внешних компонентов

 

Особенности альтернативных вариантов:
– возможность обеспечения большого тока зарядки аккумулятора и тока через нагрузку;
– независимое энергоснабжение нагрузки и аккумулятора позволяют производить качественную зарядку аккумулятора в непрерывном режиме, исключив вероятное и нежелательное циклическое переключение между режимами зарядки и ее завершением;
– даже если аккумулятор полностью разряжен, испорчен или закорочен, напряжение на нагрузке поддерживается в определенных пределах до тех пор, пока подключен адаптер.
Следует отметить, что схема, приведенная на рисунке 7а, — более сложная, а реализация устройств обходится дороже, и кроме того диапазон изменения напряжения на нагрузке шире.

Заключение

При использовании простых и недорогих сетевых адаптеров весьма проблематично одновременно обеспечить надежную работу устройства и быструю зарядку аккумулятора. Поэтому приходится чем-то жертвовать. По вполне понятным причинам жертвовать приходится аккумулятором. В случае применения простого и недорогого адаптера приходится использовать усовершенствованные технологии и, соответственно, специализированные ИС, которые хоть и обеспечивают нормальную работу устройства, но замедляют процесс зарядки аккумулятора.
Применять рассмотренные ИС зарядки целесообразно в двух случаях: совместно с простыми и недорогими сетевыми адаптерами, а также в системах, где аккумулятор используется в качестве резервного источника питания, чтобы исключить ситуацию, при которой устройство оказывается неработоспособным из-за вышедшего из строя аккумулятора.
При выборе топологии подключения аккумулятора к нагрузке следует принимать во внимание следующее. При непосредственном подключении аккумулятора к нагрузке и, соответственно, при отсутствии ключей на основе MOSFET-транзисторов, обеспечивающих это подключение, достигается максимальный КПД.
Схема непосредственного подключения аккумулятора к нагрузке отличается простотой, а сами устройства — более низкой стоимостью. Однако, если пиковый ток через нагрузку превышает 2,5 А, вряд ли можно рекомендовать эту топологию, поскольку может произойти зацикливание процедуры ограничения входного тока для тепловой защиты микросхемы. Если средний ток через нагрузку более 2 А, схема непосредственного подключения аккумулятора к нагрузке вообще становится малопригодной из-за перегрева кристалла контроллера зарядки. Кроме того, если средний ток через нагрузку составляет 1–2 А, необходимо учитывать, что в этом случае увеличивается и длительность зарядки аккумулятора.

Литература

1. Dynamic Power-Path Management and Dynamic Power Management//Texas Instruments, 2007 (www.ti.com).
2. Improving battery safety, charging, and fuel gauging in portable media applications. Analog Applications Journal//Texas Instru­ments, 2009 (www.ti.com).
3. 1.5A Dual-Input USB/AC Adapter Charger and Smart Power Selector//Maxim Integrated Products, 2007 (www.maxim-ic.com).
4. Power-Path Li-Ion Charger Selection//Texas Instruments, 2008 (www.ti.com).
5. bq24030, bq24031, bq24032A, bq24035, bq24038. Single-Chip Charge and System Power-Path Management IC (bqTINY™)//Texas Instruments, 2009 (www.ti.com).
6. bq24070, bq24071. Single-Chip Li-Ion Charge and System Power-Path Management IC//Texas Instruments, 2009 (www.ti.com).
7. bq24610, bq24617. Stand-Alone Synchronous Switch-Mode Li-Ion or Li-Polymer Battery Charger with System Power Selector and Low Iq//Texas Instruments, 2009 (www.ti.com).
8. Implementations of Battery Charger and Power-Path Management System Using bq2410x/11x/12x (bqSWITCHER™)//Texas Instruments, 2006 (www.ti.com).
9. Battery Management Solutions. High Performance Analog ICs//Linear Technology (www.linear.com).

 



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Виктор Охрименко, технический консультант, НПФ VD MAIS



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты