wersja mobilna
Online: 629 Poniedziałek, 2016.12.05

Technika

Układy scalone do ładowarek

poniedziałek, 25 czerwca 2007 18:29

Narastająca lawina urządzeń bateryjnych wymaga innowacyjności w organizacji ich zasilania. Telefony komórkowe, odtwarzacze, cyfrowe aparaty fotograficzne, przenośne konsole do gier wideo, … tę listę można nadal przedłużać.

Systemy zasilane z baterii są wszędzie. Ten wzrost jest skutkiem powszechnej dostępności baterii i układów scalonych do gospodarowania zasilaniem coraz bardziej złożonych systemów elektronicznych.

Rys. 1. Typowe bateryjne podsystemy do obsługi zasilania składają się z jedno lub wielofunkcyjnych układów scalonych.

Na rys. 1 przedstawiono typowy podsystem obsługi zasilania z baterii. Takie skuteczne podsystemy muszą minimalizować rozmiary i masę baterii, maksymalizując równocześnie czas pracy urządzenia, zapewniać odpowiednią stabilność napięcia wyjściowego w zadanym zakresie napięcia wejściowego i prądu obciążenia, minimalizować rozmiary i masę związanych komponentów, minimalizować wydzielane ciepło, co wiąże się z potrzebą złożonego gospodarowania ciepłem, przy minimalizacji zajmowanego miejsca, masy i kosztów, równocześnie tak rozmieszczać elementy układu, aby do minimum ograniczać emisję zaburzeń elektromagnetycznych (EMI) i zapewniać wysoką niezawodność systemu.

Projektowanie systemu spełniającego powyższe wymagania zaczyna się od wyboru rodzaju baterii. Albo baterii ogniw nieładowalnych, albo ładowalnych ogniw akumulatorowych. Tymi pierwszymi zwykle są ogniwa alkaliczne lub litowe metaliczne. Tymi drugimi akumulatory niklowo-kadmowe (NiCd), niklowo-wodorkowo-metalowe (NiMH), czy litowo-jonowe (Li-jon) i litowo-polimerowe (Li-pol).

Akumulatory Li-jon zapewniają największy potencjał elektrochemiczny i największą masową gęstość energii. Są one bezpieczne, jeżeli dochowuje się odpowiednich środków ostrożności w trakcie ładowania i rozładowywania. Gęstość energii tych akumulatorów jest około dwukrotnie większa niż NiCd. Oprócz tego ich charakterystyka rozładowania jest korzystna, podobnie jak NiCd. Stosunkowo wysokie napięcie ogniw Li-jon (2,7V do 4,2V) pozwala często używać baterii jednoogniwowych.

Akumulatory Li-pol różnią się od Li-jon sposobem wytwarzania, odpornością, bezpieczeństwem i cienko profilową geometrią oraz prostszym opakowaniem. W przeciwieństwie do Li-jon nie są niebezpieczne, nie wykazują łatwopalności, nie ma w nich bowiem płynnego ani żelowego elektrolitu.

Układy scalone do ładowania akumulatorów

Rys. 2. Samodzielny układ scalony LTC4069 do ładowania akumulatorów Li-jon prądem do 750mA jest wyposażony w wejście dla termistora NTC.

Sposoby ładowania poszczególnych rodzajów akumulatorów są zróżnicowane i od ich dochowania zależy osiągnięcie maksymalnej pojemności ogniw, ich żywotność, a także bezpieczeństwo. Układy liniowe nadają się do pakietów małej mocy (np. jedno lub dwu ogniwowe Li-jon), ładowanych prądem o natężeniu mniejszym od 1A. Do większych pakietów (trój czy cztero ogniwowych baterii Li-jon, NiCd lub NiMh) lepiej nadają się układy impulsowe o natężeniu prądu ładowania większym od 1A. Układy te charakteryzują się wyższą sprawnością i wydzielają mniej ciepła w czasie ładowania, ale generują zaburzenia, jeśli nie są właściwie zabezpieczone.

Napięcie ogniwa Li-jon jest wyższe, ale jego tolerancja napięciowa mniejsza, a podładowywanie po osiągnięciu pełnego ładunku nie jest dopuszczalne. Czas ładowania tych ogniw, ładowanych z początkową szybkością 1C wynosi około 3 godzin. Pełny ładunek jest osiągany po dojściu do górnego poziomu napięcia, prąd ładowania maleje wtedy do około 3% natężenia nominalnego.

Zwiększanie prądu ładowania ogniw Li-jon w niewielkim tylko stopniu skraca czas ładowania. Chociaż maksymalne napięcie jest wtedy osiągane szybciej, to dopełnienie ładunku zajmuje więcej czasu. Ogniwa te nie tolerują przeładowania, wywołuje ono ich przegrzanie. Do ładowania ogniw Li-jon najlepiej nadają się ładowarki o stałym prądzie i stałym napięciu (CCCV), zapewniają bowiem pełny ładunek bez przeładowania.

Przykładem kompletnej ładowarki CCCV dla pojedynczych ogniw Li-jon jest LTC4069 firmy Linear Technology (rys. 2). Dzięki obudowie 2x2mm Dual-Flat No-lead (DFN) i małej liczbie potrzebnych zewnętrznych komponentów ten układ scalony nadaje się doskonale do urządzeń przenośnych. Jest on zaprojektowany specjalnie do współpracy z USB. Wyprowadzenie CHRG służy do sygnalizowania spadku prądu ładowania do 10% zaprogramowanego poziomu (C/10). Wewnętrzny czasomierz kończy ładowanie zgodnie z zaleceniami producenta ogniwa. Oprócz tego monitorowany jest prąd ładowania. Dzięki użytej architekturze wewnętrznego MOSFET-a nie jest potrzebny zewnętrzny rezystor czujnika ani dioda blokująca. Termiczne sprzężenie zwrotne reguluje prąd ładowania ograniczając temperaturę struktury półprzewodnika przy dużej mocy pracy i wysokiej temperaturze otoczenia.

Rys. 3. Chroniąc baterię akumulatorów przed zbyt dużym natężeniem prądu układ MAX1666 może odłączyć obciążenie.

Gdy zasilanie (zasilacz sieciowy lub USB) zostanie odłączone, LTC4069 automatycznie przechodzi w stan zmniejszonego natężenia prądu, obniżając prąd pobierany z ogniwa poniżej 1mA. Przy doprowadzonym zasilaniu LTC4069 może zostać wprowadzony w stan wyłączenia, obniżający prąd zasilania poniżej 20mA. Możliwe jest automatyczne ładowanie ponowne, podładowywanie, płynny rozruch i użycie termistora o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) do monitorowania temperatury ogniwa.

Układy scalone do ochrony baterii

Pakiety ogniw Li-jon wymagają obwodów ochronnych, ograniczających prąd ładowania i rozładowania oraz monitorujących temperaturę. Obwód taki nie powinien pobierać prądu w czasie, gdy zasilany system jest wyłączony.

Układ MAX1666 firmy Maxim chroni ogniwa przed zbyt dużym zwiększeniem lub obniżeniem napięcia, za dużym natężeniem prądu ładowania lub rozładowania i niewłaściwym połączeniem w bateriach dwu, trzy lub czteroogniwowych (rys. 3). Dokonuje tego sprawdzając napięcie każdego z ogniw i porównując je z zaprogramowanymi danymi i z napięciami pozostałych ogniw baterii. Układ jest dostępny w czterech wersjach – wersja S monitoruje litową baterię dwu ogniwową, wersje A i V trój ogniwową, a wersja X cztero ogniwową.

Układy scalone monitorujące ładunek

W systemach przenośnych bardzo istotna jest znajomość czasu, przez który można jeszcze będzie korzystać z ładunku akumulatora. Jest to szczególnie ważne w przypadku komputerów, gdy zanik zasilania może oznaczać utratę danych. Potrzebny jest wtedy wskaźnik pozostającego do dyspozycji rzeczywistego czasu korzystania z akumulatora. Jednym z rozwiązań jest monitor, gromadzący dane akumulatora i przesyłający je do macierzystego procesora. Innym jest wskaźnik, wykazujący zapas czasu pracy akumulatora pod aktualnym obciążeniem.

Monitory akumulatorów są układami scalonymi z mieszanymi sygnałami, zawierające cyfrowe pamięci i rejestry do przechowywania danych oraz układy analogowe, jak czujniki temperatury i wzmacniacze, a także obwody interfejsów. Monitor zawiera zazwyczaj wewnętrzny lub zewnętrzny rezystor – czujnik, służący do pomiaru prądu akumulatora. Pomiary napięcia i natężenia prądu dokonywane są za pomocą wewnętrznych przetworników analogowo-cyfrowych (A/C). Dla akumulatorów Li-jon szczególnie ważne są informacje o przeładowaniu (zbyt duże napięcie), zbytnim rozładowaniu (zbyt małe napięcie) i nadmiernym natężeniu prądu ładowania i rozładowania (przetężenie, zwarcie).

Układ scalony wskaźnika ładunku akumulatora jest zwykle umieszczany w pakiecie akumulatora i bezpośrednio z nim łączony, prąd przez niego pobierany musi więc być bardzo mały. W przeciwnym razie dłuższe pozostawanie akumulatora w spoczynku niepotrzebnie uszczuplałoby przechowywany ładunek. Początkowo akumulator musi zostać naładowany do pełna, a stany liczników i rejestrów dostosowane do stanu pełnego ładunku. W miarę rozładowywania układ śledzi ilość pobieranego z akumulatora ładunku. Większość układów monitorujących kompensuje wpływ temperatury i szybkości ładowania i rozładowywania. Zazwyczaj stan akumulatora jest wyświetlany za pośrednictwem LED. Układy scalone wskazujące ładunek akumulatora mogą również poprzez port I/O przesyłać dane o rozładowaniu do zewnętrznego procesora. Wskaźnik LED ma zwykle postać „termometru” o pięciu lub sześciu segmentach. Dla zaoszczędzenia ładunku wskaźnik ten jest włączany tylko na polecenie użytkownika. Przy pełnym ładunku świecą się wszystkie segmenty wskaźnika. W miarę zmniejszania się ładunku gasną kolejne segmenty.

Rys. 4. Układ scalony wskaźnika wielkości ładunku w ogniwie Li-jon i Li-pol, bqJunior, wskazuje czas, przez który można będzie korzystać z akumulatora.

Układy scalone bq2700 i bq27200 (bqJunior) firmy Texas Instruments są samodzielnymi monitorami ładunku pojedynczych ogniw Li-jon i Li-pol do zastosowań przenośnych (rys. 4). Monitorują one spadek napięcia na małym rezystorze szeregowym, śledząc w ten sposób prąd ładowania i rozładowywania akumulatora. Przy pomiarze pojemności stosuje się kompensację temperatury akumulatora, jego samorozładowania oraz szybkości rozładowania, co pozwala informować o czasie pozostałym do całkowitego rozładowania w całym zakresie warunków działania akumulatora.

Układy monitorujące automatycznie przeliczają pojemność akumulatora w trakcie jego rozładowywania od ładunku pełnego do zerowego. Wewnętrzne rejestry zawierają informacjo o natężeniu prądu, pojemności, czasie pozostałym do opróżnienie akumulatora, stanie ładunku, temperaturze ogniwa, jego napięciu i statusie. Układy te współdziałają bezpośrednio z jedno i wielo ogniwowymi akumulatorami Li-jon i Li-pol, i komunikują się z systemem za pośrednictwem interfejsu harmoniczno-różnicowo-kwadraturowego (HDQ), jedno przewodowego, lub szeregowego interfejsu I²C.

Układy scalone zasilania bateryjnego

Zasilacze systemów bateryjnych muszą zajmować jak najmniejszą powierzchnię płytki drukowanej. Układy scalone zasilaczy współpracują z wewnętrznymi albo zewnętrznymi MOSFET-ami przełączającymi. Korzyścią pierwszego rozwiązania jest mała liczba elementów zewnętrznych, ale kosztem podwyższonej temperatury struktury i gorszych właściwości termicznych. Układ taki powinien wydzielać minimalną ilość ciepła, aby nie skracać czasu czerpania ładunku z akumulatora. Pomocne jest w tym wyprowadzenie wyłączania zasilacza, blokujące pobór prądu z akumulatora. Włączenie układu scalonego nie może generować zaburzeń zakłócających system.

Większość układów zasilaczy jest wyposażona w wyłącznik uruchamiany przy zbyt niskim napięciu (undervoltage lockout, UVLO) akumulatora. Układy te są zazwyczaj wyposażone w czujnik monitorujący natężenie prądu, chroniący układ i system przez wyłączenie przed zbytnim wzrostem prądu.

We wszystkich zasilaczach impulsowych istotne jest rozmieszczenie składników, zwłaszcza przy dużym prądzie szczytowym i wysokiej częstotliwości przełączania. Nieprzemyślane rozmieszczenie może być przyczyną niestabilności działania i generacji zaburzeń EMI. Główne ścieżki prądowe i uziemiające powinny być krótkie i szerokie. Kondensatory wejściowy i wyjściowy oraz indukcyjność powinny być umieszczone możliwie najbliżej układu. Także dzielnik sprzężenia zwrotnego powinien się znajdować, jak tylko to możliwe, blisko sterującego wyprowadzenia uziemiającego. Ścieżki uziemienia sterowania powinny być krótkie i oddzielone od uziemienia zasilania.

Rys. 5. Układ NCP1422 jest 800mA przetwornikiem podwyższającym DC-DC z modulacją częstotliwości impulsów z synchronicznym prostownikiem i rzeczywistym odcinaniem akumulatora.

W układach zasilania bateryjnego, dostarczających do 800mA (rys. 5), często jest stosowany układ NCP1422 firmy Semiconductor, podwyższający przetwornik impulsowy wielkiej częstotliwości. Zawiera on prostownik synchroniczny, zapewniający wyższą sprawność niż zewnętrzna dioda Schottky’ego. Częstotliwość przełączania 1,2MHz pozwala na stosowanie niskoprofilowych małych cewek i kondensatorów wyjściowych. Gdy układ jest wyłączony, wewnętrzne ścieżki od LX i Bat do Out są całkowicie przerwane, a wyprowadzenie Out jest odizolowane od akumulatora. Funkcja odłączania redukuje prąd pobierany z akumulatora do 50nA. Obwód „Ring-Killer” eliminuje oscylacje wielkiej częstotliwości w trybie rozłączenia.

Oprócz tego NCP1422 jest wyposażony w detektor zbyt niskiego napięcia akumulatora i wyprowadzenie z otwartym drenem sygnału zbyt niskiego napięcia, obwód logiczny wyłączania, ograniczenia prądowego w każdym cyklu i obwód wyłączania termicznego. Przy włączonych tych wszystkich funkcjach układ pobiera w stanie spoczynku 8,5mA. Układ ten jest dostarczany w małej, niskoprofilowej obudowie DFN-10. Przy napięciu wejściowym 2,5V, wyjściowym 3,3V i 200mA jego sprawność wynosi 94%, a przy 3,3V i 500mA 88%.

Najnowsze wielofunkcyjne układy scalone do kontrolowania zasilania urządzeń akumulatorowych zajmują się przetwarzaniem napięcia, ładowaniem akumulatorów, ich ochroną i monitorowaniem stanu, a także wyborem źródła zasilania. Na przykład układ TPS65800 firmy Texas Instruments elastycznie kieruje ładowaniem i zasilaniem zarówno z zasilacza sieciowego jak i portu USB. Ma on kilka wyjść zasilania i szereg opcji układowych dla aplikacji zasilanych z jednego ogniwa Li-jon lub Li-pol (zob. tabela). Układ ten zawiera dwa wysokosprawne przetworniki obniżające, dostarczające napięcia rdzeniowi i peryferiom we/wy w systemie z procesorem. Dla zachowania wysokiej sprawności przetworniki te przy małym obciążeniu przechodzą w tryb niskiej mocy. Układ ten zasila system niezależnie od cykli ładowania i rozładowania akumulatora. Pozwala to we właściwy sposób kończyć ładowanie i działanie systemu, gdy akumulatora zabraknie lub, gdy okaże się niesprawny. Gdy akumulator całkowicie się rozładuje, system może natychmiast włączyć zewnętrzne źródło zasilania.

Układ TPS65800 automatycznie dokonuje wyboru zasilania z zasilacza sieciowego lub z USB. W konfiguracji USB procesor macierzysty dynamicznie wybiera jedną z wstępnie ustalonych szybkości ładowania, prądem 100mA lub 500mA, zależnie od obciążenia systemu. W konfiguracji sieciowej prąd ładowania jest ustalany za pośrednictwem zewnętrznego rezystora. Akumulator jest ładowany w trzech fazach, przystosowawczej, stałego prądu i stałego napięcia. Przy minimalnym prądzie ładowanie jest kończone. Wewnętrzny czasomierz ładowania zapewnia bezpieczeństwo zakończenia ładowania. TPS65800 automatycznie wznawia ładowanie akumulatora, gdy jego napięcie spada poniżej ustalonego poziomu.

Ośmiokanałowy, 10-bitowy, przetwornik A/C kolejnych przybliżeń z zewnętrznym wyzwalaniem umożliwia odczyty pojedyncze, wielokrotne i ciągłe oraz dostarcza maksymalnych, minimalnych i ciągłych wartości średnich. Ma on trzy programowalne uniwersalne porty wejść-wyjść (GPIO). Standardowo GPIO3 jest programowany do uruchamiania przetwornika A/C. Dwa standardowe sterowniki modulacji szerokości impulsów (PWM) i sterownik RGB o programowalnym prądzie stanowią wysoko zintegrowane rozwiązanie dla ręcznych i innych przenośnych aplikacji. (KKP)