Akumulatory. Szybkie i bezpieczne ładowanie

Mając na uwadze wygodę konsumentów, konieczne staje się opracowanie lepszej i bardziej elastycznej, a zarazem bezpiecznej metody ładowania sprzętu elektronicznego. Można do tego wykorzystać np. laptop wyposażony w złącze USB i pojemny akumulator (w stosunku do ładowanego gadżetu). Międzynarodowe koncerny przygotowały już propozycje ujednolicenia fizycznych złączy wykorzystywanych przez ładowarki, które również zaczynają podlegać standaryzacji. U podstaw tych zmian leży chęć zapewnienia większej elastyczności, uniwersalności i wygody ładowania wszelkiego rodzaju akumulatorów.

Ogólna charakterystyka ładowania

Na typową baterię litowo-jonową składa się jedno lub kilka ogniw, złącze, termistor NTC oraz zespół obwodów zabezpieczających. Całość jest zamknięta wewnątrz obudowy chroniącej przed uszkodzeniami mechanicznymi. Jednym z ważniejszych parametrów baterii jest napięcie wyjściowe, które zależy od liczby ogniw i pobieranego prądu. Najczęściej do ładowania stosuje się prąd o wartości 1C, czyli odpowiadający pojemności baterii (np. dla pojemności 1000mAh prąd ładowania wyniesie 1000mA). Ogniwa o dużej pojemności wymagają prądu o dużym natężeniu, co przyczynia się do znacznego nagrzewania podzespołów i powoduje problemy z rozpraszaniem ciepła. Dotyczy to zwłaszcza stabilizatorów liniowych.

Należy mieć na uwadze, że port USB zapewnia napięcie około 5V, więc podczas ładowania akumulatora rozładowanego do 3,3V prądem 1A straty mocy wynoszą 1,7W, a sprawność zostaje ograniczona do 66%.

Wydajność prądowa portu USB nie jest większa niż 500mA, mimo to straty są spore i zmuszają projektantów do poszukiwania wydajniejszych rozwiązań. Dobrze sprawdzają się w takiej sytuacji przetwornice impulsowe, umożliwiając zwiększenie prądu ponad dopuszczalny limit 500mA dzięki wykorzystaniu mocy normalnie traconej na generowanie ciepła. Sprawność takich rozwiązań dochodzi do 90% i przez to straty mocy zmniejszają się z 0,85W do 0,18W. Zaoszczędzona energia jest zamieniana na prąd, którego natężenie w takim wypadku można zwiększyć do 681mA. Przekłada się to na skrócenie czasu wymaganego do pełnego naładowania akumulatora.

Algorytm ładowania

Algorytm stosowany do ładowania ogniw litowo-jonowych oraz litowo-polimerowych można podzielić na trzy fazy. Pierwsza faza, czyli ładowanie wstępne, występuje tylko w przypadku głębokiego rozładowania akumulatora, gdy jego napięcie jest niższe od 2,8V. Należy wtedy zainicjować ładowanie prądem nie większym niż 0,1C. Nie zawsze udaje się przywrócić tak rozładowane ogniwo do normalnego stanu, dlatego konieczne jest zapobieganie ładowaniu „w nieskończoność”. Wykorzystuje się do tego dedykowany licznik, który po określonym czasie (np. 1 godziny) zakończy ładowanie, jeżeli napięcie ogniwa nie przekroczy progu 2,8V.

W drugiej fazie aplikowany jest prąd o stałej wartości wynoszący w przybliżeniu 1C, a ładowanie jest wtedy określane jako szybkie. W niektórych ładowarkach liniowych stosowane są mechanizmy ograniczania strat mocy i ilości generowanego ciepła. Polegają one na stopniowym zwiększaniu prądu wraz ze wzrostem napięcia akumulatora. Powoduje to, że iloczyn prądu i różnicy napięć między ogniwem i zasilaczem utrzymuje się na względnie stałym poziomie. Również ta faza podlega ograniczeniu czasowemu, tzn. jest kończona przed upływem 1,5 godziny, chyba że akumulator osiągnie napięcie 4,2V wcześniej.

Trzecia, ostatnia faza polega na dołączeniu do ogniwa stałego napięcia. Napięcie to musi być mierzone z dużą dokładnością (powyżej 1%), gdyż ma to krytyczne znaczenie dla pojemności akumulatora (rysunek 1).

Na tym etapie jest mierzony prąd wpływający do ogniwa i pomiar ten wyznacza moment zakończenia procesu ładowania. Koniec następuje w momencie osiągnięcia założonej przez projektanta wartości prądu, np. 0,07C. Profil ładowania akumulatora litowo-jonowego przedstawiono na rysunku 2.

Czas ładowania

W fazie stałego napięcia natężenie prądu zmniejsza się wykładniczo. Ma to duże znaczenie dla ustalenia momentu zakończenia ładowania, gdyż decyduje o ilości energii zgromadzonej w akumulatorze. Im dłuższy czas ładowania, tym większa pojemność jest dostępna. Przykładowo, ogniwo o pojemności 150mAh można przestać ładować, gdy wartość prądu osiągnie 75mA. Przełoży się to na skrócenie czasu ładowania kosztem zmniejszenia dostępnej energii do poziomu odpowiadającego 85% całkowitej pojemności. Gdy trzecia faza zakończy się po osiągnięciu wartość 50mA, akumulator zostanie naładowany do poziomu około 90%, ale czas oczekiwania znacząco się wydłuży.

Parametry portu USB

Zasilanie pochodzące z portu USB ma sporo zalet. Ujawniają się one zwłaszcza w czasie podróży, w które zabierany jest laptop i podręczne urządzenia elektroniczne. Zazwyczaj komputery przenośne są wyposażone w kilka portów USB, dzięki czemu można zrezygnować z zabierania odpowiednich ładowarek na rzecz pojedynczego przewodu USB umożliwiającego ładowanie całej gamy elektronicznych gadżetów. Często zdarza się, że port USB służy do wymiany danych i proces ładowania akumulatora jest przeprowadzany „w tle”.

Integracja ładowarki USB z urządzeniem nie zawsze jest prosta. Pierwszym powodem jest obecność dwóch trybów zarządzania energią: low-power oraz high-power. Po podłączeniu nowego urządzenia do portu USB może ono pobierać tylko jedną „jednostkę” prądu, czyli 100mA. W procesie enumeracji (pobrania informacji o przyłączonym urządzeniu) nowo podłączony sprzęt określa swoje zapotrzebowanie na prąd. Niemniej jednak to urządzenie host decyduje o trybie pracy i dopiero gdy zaakceptuje wymagania współpracującego urządzenia, może ono pobierać pełne pięć „jednostek” prądu (500mA). Limit ten nie zawsze jest przydzielany, zwłaszcza w sytuacji podłączenia ładowanego urządzenia do huba, który nie zawiera własnego źródła zasilania.

Port USB w urządzeniu host jest zmuszony zasilić wszystkie przyłączone urządzenia, mając do dyspozycji jedynie 0,5A, co daje około 100mA na każde przyłączone urządzenie. Sytuację pogarszają dopuszczalne przez specyfikację USB 2.0 spadki napięcia dla poszczególnych trybów pracy. Na wyjściu portu dostępne jest napięcie 4,75–5,25V w trybie high-power oraz 4,40–5,25V w trybie low-power.

Spadki napięcia na przewodach mogą spowodować, że dostępne będzie jedynie napięcie 4,35V, co nakłada duże ograniczenia na włączany szeregowo układ regulacji prądu. Występujący na nim spadek napięcia nie może być większy niż 0,15V, aby zagwarantować wymagane do ładowania napięcie 4,2V. Pomimo tych ograniczeń popularność złącza USB, jako alternatywy dla tradycyjnych ładowarek, przez cały czas rośnie, gdyż jest ono stosowane we wszystkich nowoczesnych urządzeniach.

Obecnie dostępne są ładowarki wyposażone w gniazdo USB lub przewód zakończony wtykiem micro USB Urządzenia podłączone do takiej ładowarki są w stanie określić, wykorzystując linie danych (D+ oraz D–), z jakim typem urządzenia mają do czynienia: z ładowarką sieciową czy z komputerem. Odbywa się to poprzez badanie zwarcia na liniach D+ i D– występującego w przypadku ładowarek sieciowych (rysunek 3).

Po stwierdzeniu, że zasilanie pochodzi z ładowarki sieciowej, urządzenie może rozpocząć od razu ładowanie dużym prądem, zamiast 100mA lub 500mA. Według standardu wydajność prądowa ładowarek ma zawierać się w przedziale od 300mA do 1800mA, co stwarza możliwość produkcji zarówno tanich ładowarek niskoprądowych, jak też droższych i wydajniejszych ładowarek wysokoprądowych, pozwalających na znacznie szybsze naładowanie akumulatora. Bez względu na wydajność każda ładowarka powinna dostarczać napięcia 5V z tolerancją 5%.

Bezpieczeństwo

Akumulatory litowo-jonowe są łatwe w produkcji, bezpieczne w użytkowaniu oraz charakteryzują się małym wpływem niedokładności procesu technologicznego na parametry, akceptowalną masą i małą objętością w stosunku do ilości zgromadzonej energii. Brak efektu pamięciowego pozwala doładowywać akumulator w dogodnym momencie, a nie w ściśle określonych sytuacjach. Nie ma jednak róży bez kolców – ogniwa litowo-jonowe są podatne na proces starzenia.

Duża rezystancja wewnętrzna wyklucza ich stosowanie w urządzeniach wymagających dużego poboru prądu, m.in. elektronarzędziach. Sytuację pogarszają wymagane obwody zabezpieczające. Zapewniają one ochronę m.in. przed przekroczeniem dopuszczalnego prądu ładowania mogącego skutkować nieodwracalnym uszkodzeniem akumulatora.

Oprócz kontroli prądu ładowania monitorowane jest też napięcie ogniwa, które musi mieścić się w granicach od 2,8 do 4,2V (rozładowanie poniżej 2,8V może prowadzić do nieodwracalnego zniszczenia), i natężenie prądu wyjściowego. Zabezpieczenia dostarczone przez producenta powinny być traktowane jako wtórne i nie powinny być nigdy używane. Rolą projektantów jest przygotowanie własnych obwodów zabezpieczających.

Niezbędne jest bieżące monitorowanie temperatury panującej wewnątrz obudowy akumulatora, aby uniemożliwić wykroczenie poza dopuszczalny zakres temperatur pracy (typowo 0...45°C). Mogłoby to spowodować wzrost ciśnienia wewnątrz ogniwa, a w konsekwencji doprowadzić do jego deformacji i rozszczelnienia. Pomijając tak skrajny przypadek, ładowanie akumulatora poza wyznaczonym zakresem temperatur pogarsza jakość ładowania i może skrócić żywotność ogniwa.

W odpowiedzi na potrzebę monitorowania temperatury producenci umieszczają termistor typu NTC wewnątrz obudowy, blisko akumulatora i wyprowadzają na złącze jedno z jego wyprowadzeń (drugie jest przyłączane do masy). Umożliwia to stosunkowo łatwy pomiar temperatury i podejmowanie stosownych decyzji, takich jak zatrzymanie ładowania czy zmniejszenie natężenia prądu.

W czasie ładowania akumulatora z portu USB należy kontrolować pobierany prąd. Nie powinien on przekraczać wartości 85mA lub 400mA w zależności od wynegocjowanego trybu pracy. Port USB zawiera co prawda własne zabezpieczenia przed przeciążeniem, jednak są one często oparte na bezpiecznikach polimerowych. Po zadziałaniu takiego obwodu konieczne jest odłączenie urządzenia od portu i wstrzymanie procesu ładowania. Sytuacje tego typu są nieakceptowalne i należy zawsze im przeciwdziałać.

Dedykowane układy scalone

Na rynek ładowarek USB zwrócili uwagę producenci układów scalonych. Jednym z nich jest Microchip, oferujący układy MCP73853/55 pracujące z napięciami z zakresu 4,5...5.5V. Są to układy przystosowane do obsługi akumulatorów i ładowania ich ze złącza USB. Układy te wykorzystują regulator liniowy, więc dopuszczalny prąd ładowania nie przekracza 485mA, jednak znajduje to odzwierciedlenie w niższej cenie. Zaimplementowany algorytm obejmuje fazy ładowania wstępnego, ładowania stałym prądem oraz stałym napięciem.

Układy firmy Microchip umożliwiają ustawienie czasu zakończenia ładowania, który stanowi dodatkowe zabezpieczenie przed przeładowaniem. Wbudowane zabezpieczenie termiczne chroni układ scalony przed uszkodzeniem w wyniku nadmiernego wzrostu temperatury. Typowy schemat aplikacyjny ładowarki wykorzystującej kontrolery MCP73853/55 pokazano na rysunku 4.

W ofercie Microchip dostępne są też bardziej zaawansowane rozwiązania dedykowane dla ładowarek USB, np. układ MCP73871, którego schemat aplikacyjny pokazano na rysunku 5.

Układ ten daje możliwość ustalenia prądu ładowania poprzez dobór zewnętrznego rezystora. Jego zaletą jest możliwość pracy z zasilaniem pochodzącym z portu USB lub zasilacza sieciowego. Zapewnia automatyczne przełączenie zasilania z baterii na zasilacz. Interesującą cechą jest też kontrola prądu ładowania polegająca na automatycznym ograniczeniu jego wartości w odpowiedzi na wzrastającą temperaturę ogniwa (pomiar za pomocą wbudowanego termistora).

Projektant może określić moment zakończenia ładowania, wybierając jedno z napięć: 4,10, 4,20, 4,35 lub 4,40V. Dobierając wartość zewnętrznego rezystora, można ustalić natężenie prądu, przy którym zakończy się proces ładowania w trybie ciągłego napięcia. Microchip nie jest jedynym producentem tego typu układów. Podobne rozwiązania w swojej ofercie ma również Maxim oferujący układ MAX1874. Współpracuje on równocześnie z zasilaczem sieciowym i portem USB, umożliwiając ich automatyczne przełączanie. Zawiera zabezpieczenie termiczne oparte na termistorze wbudowanym w akumulator; zapewnia to korekcję prądu ładowania stosownie do temperatury ogniwa. Schemat aplikacyjny MAX1874 przedstawiono na rysunku 6.

Podobne układy oferuje Linear Technology. Przykładem może być kontroler ładowania LTC4088, którego schemat aplikacyjny został przedstawiony na rysunku 7. Udostępnia on typowe cechy ładowarek ogniw litowo-jonowych oraz litowo-polimerowych: tryb ciągłego prądu i napięcia, współpraca z głęboko rozładowanymi ogniwami, zabezpieczenia termiczne itp. Umożliwia wybór prądu ładowania (0,1 lub 0,5A) w zależności od wynegocjowanego trybu pracy portu USB.

Dostępna jest opcja ładowania prądem 1,0A, tylko przy korzystaniu z zasilacza sieciowego. Wybór prądu ładowania odbywa się przez zadanie odpowiednich stanów logicznych na wejściach. Wbudowana przetwornica DC-DC zapewnia mały spadek napięcia i optymalne wykorzystanie mocy. Przekłada się to na zwiększenie prądu ładowania i sprawności.

Podsumowanie

Ujednolicenie złącza służącego do ładowania urządzeń elektronicznych i możliwość ładowania z portu USB przyczynia się do znacznego zwiększenia komfortu użytkowników. Odczują to szczególnie osoby podróżujące, które zabierają ze sobą kilka elektronicznych gadżetów. Dostępne na rynku układy scalone oferują pełną kontrolę procesu ładowania oraz zabezpieczają zarówno port USB, jak i sam akumulator. Szczególnie interesujące są rozwiązania zawierające przetwornice impulsowe, które charakteryzują się zmniejszoną emisją ciepła i lepszym wykorzystaniem dostępnej energii.

Należy oczekiwać, że z czasem większość urządzeń będzie wyposażonych w standardowe wejście micro USB, dzięki czemu zmniejszy się różnorodność ładowarek. Zostaną one zastąpione standardowym złączem, które będzie można podłączyć do dowolnego komputera lub dedykowanego zasilacza sieciowego.

Jakub Borzdyński