Kompleksowy system zasilający dla systemów 48 V
| TechnikaJednym z widocznych trendów we współczesnej elektronice jest postępująca mobilność i przenośność rozwiązań. Dotyczy ona głównie zapewnienia ciągłości zasilania gdyż użytkownicy coraz rzadziej przyjmują do wiadomości, że nawet krótka przerwa w dostępie do energii sieci energetycznej wywołuje konieczność ponownego uruchamiania i konfigurowania funkcji. Z tego powodu wiele sprzętu ma wbudowany akumulator i układ zarządzania zasilaniem, zapewniający jego ładowanie i zasilanie wyjścia w przypadku, gdy normalne zasilanie nie jest dostępne. Układ taki zapewnia podtrzymanie działania przez pewien czas i chroni przed nieprawidłowym działaniem wywołanym częstymi krótkimi zanikami sieci. Jest to też wygodny sposób zapewnienia większej mobilności urządzeń.
Rys. 1. Układ zasilacza buforowego o napięciu wyjściowym 48 V i wejściowym 36-55 V współpracujący z akumulatorem kwasowo-ołowiowym o mocy 265 W
Eleganckie jednoukładowe rozwiązanie takiego systemu zasilającego jest standardowym rozwiązaniem wykorzystywanym przez konstruktorów elektroniki konsumenckiej zasilanej niskim napięciem i o małej mocy, jak telefony lub tablety.
Dla sprzętu zasilanego wyższym napięciem, na przykład w medycynie lub telekomunikacji, takich specjalizowanych jednoukładowych kontrolerów zasilania do niedawna nie było i konstruktorzy musieli tworzyć dość rozbudowane systemy oparte na układach standardowych i elementach dyskretnych.
Od niedawna można tę pracę uprościć za pomocą układu LTC4020 firmy Linear Technology, który przeznaczony jest do realizacji wysokonapięciowych systemów zasilających z podtrzymaniem bateryjnym. Zawiera on sterownik 4-tranzystorowego konwertera DC-DC podwyższająco-obniżającego (buck/boost) i parametrach zoptymalizowanych pod kątem pracy w systemach ładowania akumulatorów.
Układ jest zgodny z technologią PowerPath zarządzania i kontroli stanu akumulatora, co zapewnia ochronę ogniw i sprzyja długiej eksploatacji. LTC4020 zarządza przepływem mocy pomiędzy wejściem, akumulatorem buforowym i wyjściem, elastycznie dostosowując się do panujących warunków dostępności zasilania z tych obu źródeł i chwilowego obciążenia.
Realizowana funkcjonalność konwertera DC/DC podwyższająco-obniżającego pozwala na zasilanie napięciem wejściowym do 55 V i generowanie napięć wyjściowych niższych lub wyższych niż napięcie wejściowe. Sterownik zawiera też ładowarkę ogniw, która może działać w trybie ładowania stałym prądem lub stałym napięciem (CC/CV) i współpracuje z ogniwami litowo-jonowymi lub kwasowo-ołowiowymi.
W przypadku innych ogniw można użyć typowego profilu ładowania stałym prądem z odcięciem ładowania po ustalonym czasie, podobnego w funkcjonalności do tego wykorzystywanego przy ogniwach litowo-jonowych, ale niezawierającego zabezpieczenia przed zbyt głębokim rozładowaniem ogniw i funkcji restartu ładowania.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe w systemach 48 V
Rys. 2. Maksymalny prąd ładowania akumulatora dla układu z rysunku 1
Cechą akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest to, że napięcie końcowe ładowania wynosi ok. 120% ich napięcia nominalnego. Dla 12-woltowego akumulatora jest to 14,4 V. Ta duża różnica utrudnia wykorzystanie takich ogniw w opisywanym układzie przy napięciu wyjściowym 48 V, bo końcowe napięcie ładowania takiej baterii ogniw przekracza dopuszczalne parametry napięciowe sterownika. Niemniej problem można obejść, wykorzystując układ ładowania działający w trybie CC z pływającym potencjałem masy w dzielniku napięcia odniesienia.
Włączenie trybu ładowania stałym prądem uzyskuje się przez pozostawienie wejścia Mode w LTC4020 w stanie niepodłączonym. Pływający potencjał masy dla układu kontroli napięcia można wykonać za pomocą odpowiedniego dzielnika w układzie sprzężenia zwrotnego (VFB=2,5 V).
W takim przypadku kontroler zapewnia ładowanie stałym prądem do momentu, aż osiągnięte zostanie napięcie końcowe, powiększone o potencjał pływający. W takim trybie konieczne jest też zablokowanie wewnętrznego timera odcinającego ładowanie przez ustawienie Timer = 0 V, gdyż inaczej całość działałaby niepoprawnie a akumulator nie osiągał stanu pełnego naładowania.
Rysunek 1 ilustruje pracę kontrolera LTC4020 w systemie 48-woltowym z akumulatorem kwasowo-ołowiowym ładowanym w układzie z pływającym potencjałem masy w dzielniku. Centralnym elementem tego układu jest konwerter DC-DC buck-boost z zewnętrznymi tranzystorami MOSFET.
Jego moc wyjściowa sięga 265 W i pracuje on z napięciem wejściowym 36-55 V. Prąd wyjściowy minimalny to 5 A, a średni prąd dławika konwertera wynosi 8,3 A, wartość maksymalną programuje się za pomocą rezystorów (RSENSE1 i RSENSE2) o wartości 6 mΩ.
Rys. 3. Prąd wyjściowy oraz prąd ładowania akumulatora w funkcji napięcia wejściowego
W układzie są też rezystory RSHDN1 i RSHDN2 ustalające minimalne napięcie wejściowe VIN=35 V. Gdy napięcie zasilania spadnie poniżej tej wartości (dla akumulatora i źródła wejściowego), praca konwertera zostanie zablokowana. Wykorzystywane tranzystory MOSFET SIS862DN mają ładunek bramki Qc=10 nC, co pozwala na pracę z częstotliwością przełączania do 250 kHz.
Sterownik ładuje i nadzoruje stan akumulatora składającego się z połączonych szeregowo 24 ogniw o znamionowym napięciu 48 V i pracuje w trybie ładowania stałym prądem. Maksymalny prąd ładowania jest ustalany przez rezystor RCS na 5 A. Maksymalne napięcie na zaciskach akumulatora sięga 53,75 V (2,24 V/ogniwo) - dzielnik RFB1 i RFB2. Jak wspomniano wcześniej, układ sprzężenia zwrotnego ma potencjał odniesienia ustalony przez pin FBG.
Gdy napięcie wejściowe jest dostępne, LTC4020 ładuje akumulator i dostarcza stabilizowanego napięcia wyjściowego, z tym że zasilanie wyjścia ma priorytet. Prąd ładowania jest ograniczany, gdy pobór prądu na wyjściu jest duży.
Gdy napięcie wejściowe spadnie poniżej wartości, progowej zasilanie jest czerpane z akumulatora, do momentu, kiedy jest to możliwe. Warto dodać, że układ ma zabezpieczenie przeciwko niekontrolowanemu przepływowi energii z akumulatora do wejścia (MOSFET M4).
Jay Celani
Linear Technology
www.linear.com
