Практичні аспекти застосування зарядних мікросхем для портативних пристроїв високої потужності

1. Огляд рішень по заряду акумуляторів
2. Компактний зарядний пристрій для одного акумулятора
3. час заряду
4. Розмір друкованої плати і вартість рішення
5. ККД і теплові характеристики
6. Захист і продовження часу життя акумуляторів
7. режим SYSOFF
8. Гнучкість в застосуванні
9. Висновок

Тахар Аллаки, Венцзя Лю (Texas Instruments)

Тема переваг лінійних або імпульсних мікросхем заряду для різних типів портативних додатків триває - на цей раз для портативних пристроїв високої потужності, наприклад, смартфонів. Але знову - на прикладі ІС заряду виробництва Texas Instruments.

Мобільні телефони є відмінним прикладом того, як покращилися за останні 10 років функціональність і технічні характеристики портативних пристроїв. У плані виконання звичайних базових завдань вони наблизилися до домашнього комп'ютера. Постійно зростаюча функціональність перевела звичайний мобільний телефон з категорії «пристрою, який тільки дзвонить» в розряд багатофункціональних портативних мікрокомп'ютерів. При цьому дані мікрокомп'ютери вимагають набагато більше електроенергії, ніж раніше. Внутрішня акумуляторна батарея - основне ядро ​​системи енергопостачання, яке запасає енергію і розподіляє її між внутрішніми ланцюгами пристрою. Мікросхеми заряду відповідають, в свою чергу, за безпечний і ефективний процес заряду акумуляторної батареї. Вони повинні також управляти передачею потужності в систему, щоб підтримувати нормальний робочий режим пристрою при харчуванні від побутової мережі через адаптер. До сучасних акумуляторних батарей сьогодні пред'являються особливі вимоги: вони повинні запасати велику кількість енергії і заряджатися за короткий проміжок часу, але при цьому мати дуже малі розміри і вага. Зростаючі струми заряду і розряду, як і малі фізичні розміри, роблять акумулятори вельми чутливими до фізичних і теплових навантажень. Тому мікросхема сучасного зарядного пристрою повинна бути не просто автономно функціонуючої, а максимально інтегруватися в роботу всього пристрою в цілому. Для того щоб забезпечити безпечний заряд і, відповідно, велика кількість циклів заряду акумулятора, зарядний пристрій повинен бути максимально гнучким у функціональному плані, оскільки воно має гарантувати передачу необхідної кількості електроенергії в будь-який час і забезпечувати достатній рівень захисту як для самого акумулятора, так і для всієї системи.

Огляд рішень по заряду акумуляторів

Акумуляторні батареї - необхідний елемент в пристроях портативної електроніки: в мобільних телефонах і різних гаджетах. Варто відзначити, що на розробку зарядного пристрою впливає відразу кілька факторів, це типи хімічних речовин усередині батареї, рівні потужності та бажаний максимальний струм навантаження. Батареї на базі різних хімічних сполук мають різні вимоги до алгоритмів заряду. Рівень потужності всієї системи електропостачання портативного пристрою глобально впливає на розмір і вартість зарядного пристрою. І, нарешті, максимальний струм навантаження змушує застосовувати спеціальну топологію Power-path, яка дозволяє управляти потоками потужності між батареєю і навантаженням.

Літій-іонні акумулятори стали одними з наймасовіших акумуляторів для багатьох портативних додатків. На це є кілька причин. По-перше, акумулятори такого типу мають дуже хорошими питомими характеристиками, такими як відношення запасається ємності до розміром і масою. Також у них дуже низький рівень саморозряду. І, нарешті, у них досить велика напруга осередку - зазвичай 3,6 ... 3,7 В, що дозволяє використовувати всього один акумулятор для більшості додатків. Але все-таки літій-іонні акумулятори вельми чутливі до фізичних пошкоджень. Вони вимагають дотримання певних умов для коректної і тривалої роботи, а саме - певного струму заряду і напруги регулювання, зарядки за спеціальними алгоритмами, моніторингу температури і так далі.

Існують зарядні пристрої лінійного і імпульсного типів. Імпульсні зарядні пристрої мають порівняно малою потужністю втрат в широкому діапазоні вхідних напруг, але займають більше місця на друкованій платі і мають досить складну схемотехнику. Також імпульсні рішення, як правило, дорожче за вартістю, ніж еквівалентні лінійні. Лінійні зарядні пристрої є значно меншими розмірами, мають дуже низький рівень ЕМ-шуму і, отже, відмінно підходять для тихих додатків. Однак вони менш ефективні в процесі всього циклу заряду, ніж їх імпульсні конкуренти. Для того щоб правильно вибрати тип зарядної мікросхеми, розробнику необхідно попередньо продумати питання вартості рішення, оцінити наявність вільного місця на друкованій платі і температурні характеристики рішення. Різноманітність вимог до пристроїв портативної і переносної електроніки породило велику кількість різних рішень по зарядці АКБ: від звичайного автономного зарядного пристрою до цілої вбудованої системи електропостачання з великою кількістю різних функцій. До таких системних зарядним мікросхем ставляться такі вимоги:

• необхідність швидкої комутації акумулятора до навантаження в разі зникнення основного електроживлення;
• мале опір Rds (on) каналів протікання струму для зменшення втрат і поліпшення температурних характеристик;
• високий зарядний струм для можливості використання акумуляторів великої ємності і зменшення часу заряду;
• динамічна підстроювання параметрів заряду в залежності від потужності і можливостей джерела живлення.

Компактний зарядний пристрій для одного акумулятора

В даний час більшість адаптерів харчування смартфонів розраховані на максимальну вихідну потужність 5 ... 10 Вт. На малюнку 1 показана необхідна вхідна потужність адаптера живлення або USB-порту при різних рівнях зарядного струму. Для зарядного струму 1,5 А необхідна потужність зростає від 3 до 5 Вт, так як напруга на акумуляторі зростає від 3 В до повної зарядки. При струмі 3 А необхідна потужність зростає до 12 Вт протягом циклу заряду. При цьому, в залежності від ступеня розряду акумулятора, адаптер живлення потужністю 5 або 10 Вт може вийти з ладу і система перестане функціонувати. Щоб запобігти цьому, зарядна мікросхема повинна мати спеціальну захисну функцію, яка регулює споживану потужність від джерела. Наприклад, мікросхема BQ24250 виробництва компанії Texas Instruments має функцію динамічної підстроювання параметрів заряду (Dynamic power management), яка стежить за рівнем вхідного напруги (висновок ИС VIN_DPM). Ця функція працює наступним чином. Якщо потужності вхідного джерела живлення недостатньо для забезпечення нормального процесу заряду з передвстановленим і налаштованим рівнем зарядного струму, то напруга джерела почне просідати. У той момент, коли напруга джерела досягне запрограмованого розробником порога VIN_DPM, зарядний струм автоматично зменшиться. Це дозволяє обмежити вхідні потужність зарядної мікросхеми і запобігти подальшому падінню напруга джерела живлення. Функція дозволяє застосовувати зарядний пристрій з адаптерами різної потужності без схемотехнических змін.

Мал. 1. Необхідна вхідна потужність при різних токах заряду

час заряду

Час заряду залежить від ємності батареї і рівня зарядного струму. Найпростіший спосіб прискорити зарядку акумулятора - заряджати його вищим струмом. Однак зарядка струмом, що перевищує 80% від номінальної ємності акумулятора С (0,8 C), може призвести до деградації акумулятора. Такий рівень струму швидко виснажує ресурс акумулятора або навіть може зашкодити його, що призведе до катастрофічних наслідків. Компанія Texas Instruments розробила алгоритм оптимізації циклу заряду, який дозволяє зменшити час цього процесу при заданій його швидкості.

Цикл заряду літій-іонних акумуляторів, як правило, складається з трьох фаз: предзарядкі (малий струм), швидкої зарядки (постійний струм CC) і завершального заряду (постійна напруга CV). Перехід від однієї фази до іншої для багатьох імпульсних зарядних пристроїв не ідеальний. На малюнку 2 зображено перехід від режиму постійного струму в режим постійної напруги в звичайному зарядному пристрої. І напруга, і струм не мають чіткого переходу при зміні фаз заряду. Це призводить до збільшення часу заряду і надлишкової втрати потужності. Зарядна мікросхема виробництва Texas Instruments розроблена із застосуванням спеціального алгоритму, який забезпечує більш жорсткий перехід від однієї фази до іншої. На малюнку 3 зображено цикл заряду аналогічного акумулятора при тих же умовах, що і на малюнку 2, але при цьому час заряду скорочено на 15%. Перехід між фазами виявляється більш чітким, що дозволяє збільшити час перебування в режимі швидкого заряду постійним струмом перед переходом в завершальну фазу заряду. Тобто, при одній і тій же швидкості заряду вдалося зменшити час цього процесу за рахунок більш жорсткого робочого алгоритму.

Мал. 2. Стандартний цикл заряду без технології оптимізації за часом

Мал. 3. Цикл заряду літій-іонного акумулятора для імпульсної зарядної мікросхеми з оптимізацією за часом

Розмір друкованої плати і вартість рішення

При більш високих токах заряду лінійні зарядні пристрої виглядають менш привабливо. Їх підвищені втрати протягом циклу заряду збільшують теплове навантаження на систему. Це особливо важливо в додатках з обмеженим простором на друкованій платі і високими значеннями струму заряду. Такі умови застосування мотивують до використання імпульсних зарядних пристроїв. Багато виробників, такі як Texas Instruments, намагаються розширити горизонти інновацій і одночасно задовольнити вимогу ринку щодо зменшення вартості рішення без особливого впливу на функціонал своїх продуктів. Наприклад, мікросхема BQ24250 - це високо інтегрований і системне рішення по зарядці одного літій-іонного акумулятора з широким функціоналом. Мікросхема відмінно підходить для портативних пристроїв з акумулятором високої ємності. На малюнку 4 зображено порівняння різних рішень із зарядки акумуляторів і займане ними місце на друкованій платі. З малюнка видно, що сімейство мікросхем BQ2425x може забезпечити зарядний струм на рівні 2 А, має малу кількість компонентів обв'язки і займає на друкованій платі всього 42 мм ².

Мал. 4. Розміри технічних рішень на базі різних мікросхем

ККД і теплові характеристики

Зменшення розміру схеми зарядного пристрою впливає на теплові характеристики всієї друкованої плати. Чим менше займана площа, тим менше залишається місця, щоб розсіяти тепло, яке виділяється за рахунок втрат в процесі заряду. Для заданої площі, займаної рішенням на друкованій платі, єдиний спосіб зменшити теплове навантаження - це збільшити ККД перетворювача в процесі заряду. Більш високий ККД дозволяє зменшити потужність втрат і, отже, що виділяється мікросхемою тепло.

Якщо порівнювати потужність втрат між лінійним і імпульсним зарядними пристроями в портативній електроніці високої потужності, то виявиться, що застосування лінійної зарядки менш бажано через високу потужності втрат в процесі заряду, особливо для низьковольтних акумуляторів. Висока потужність втрат обумовлена ​​тим, що для перетворення енергії використовується лінійний регулятор.

Імпульсні зарядні пристрої мають більш високий ККД у діапазоні повного циклу заряду і, отже, у них менше потужність теплових втрат. На малюнку 5 показано порівняння потужності теплових втрат у лінійного і імпульсного зарядних пристроїв. Вибір на користь імпульсного зарядного пристрою - логічний крок для того, щоб зменшити кількість виділеної потужності теплових втрат на платі. Зменшення опору відкритого каналу Rds (on) інтегрованих в мікросхему польових FET-транзисторів допомагає збільшити ККД зарядника при великих токах, так як саме через Rds (on) виділяється найбільша кількість теплових втрат. Мікросхема BQ24250 має інтегровані FET-транзистори з малим значенням опору відкритого каналу Rds (on). Вбудовані MOSFET високого і низького плечей мають опір 100 мОм у відкритому стані кожен. Це допомагає підвищити ККД перетворення енергії від джерела до системи. Опір відкритого каналу FET-ключа, який з'єднує акумулятор і джерело, становить всього 20 мОм. Це також допомагає зменшити втрати в процесі заряду і розряду. На малюнку 6 зображено графік ККД мікросхеми BQ24250, з якого видно, що ККД може досягати 95%.

Мал. 5. Порівняння по потужності втрат лінійного і імпульсного зарядного пристрою

Мал. 6. ККД системи на базі BQ245250 з напругою регулювання 4,2 В

Захист і продовження часу життя акумуляторів

Головним обмеженням в області застосування портативних пристроїв високої потужності є час життя акумулятора. Зменшення ємності акумулятора з плином часу сильно впливає на час роботи портативного пристрою в активному режимі. Акумулятор в будь-якому випадку схильний тимчасової деградації. І єдине, що можна зробити - це уповільнити процес деградації шляхом зменшення стресів під час зарядки і розрядки акумулятора. Літій-іонні акумулятори вельми чутливі до занадто високим струмів заряду і перенапряжениям. Мікросхема BQ24250 може регулювати вихідну напругу з точністю ± 0,5% при кімнатній температурі. Точність підтримки струму заряду цієї мікросхеми знаходиться в межах ± 0,75%, в діапазоні температур 0 ... 125 ° С. Така точність дозволяє розробнику прецизионно запрограмувати рівні струмів і напруги відповідно до технічних вимог. При такій високій точності підтримки струму і напруги акумулятор може бути заряджений без втрати частини ресурсу.

На малюнку 7 зображений графік точності регулювання струму заряду в залежності від температури. Для рівня зарядного струму 1,5 А точність становить 2% від типового значення, даного в технічній документації.

Мал. 7. Точність підтримки струму заряду в залежності від температури

режим SYSOFF

В процесі передпродажної транспортування і зберігання акумулятор повинен бути від'єднаний від будь-яких навантажень, щоб запобігти його виснаження. Мікросхема BQ24250 має спеціальний режим SYSOFF, який може бути налаштований таким чином, щоб вимикати внутрішній FET і від'єднувати акумулятор від всієї системи. Якщо режим SYSOFF активований, то струм споживання мікросхемою заряду від акумуляторної батареї спадає до значення менше 1 мкА (рисунок 8). Мікросхема автоматично виводиться з цього режиму, якщо кінцевий користувач підключив блок живлення до зарядного пристрою і на вході з'явилася напруга.

Мал. 8. Струм витоку акумулятора в режимі SYSOFF

Гнучкість в застосуванні

У сучасному конкурентному середовищі більшість гравців ринку мікроелектроніки постійно фокусується на зниженні собівартості продукції, при цьому розширюючи функціонал своїх рішень. Це може принести більше прибутку і поліпшити ринкову репутацію. Можливість пристосувати один і той же чіп для різних продуктів або випускати кілька поколінь конкретної ІС безпосередньо впливає на економію коштів виробництва. Такий підхід також вкорочує часовий інтервал, необхідний на освоєння нового продукту, і дозволяє уникнути непотрібних ризиків, використовуючи вже відоме рішення.

Ринок сучасних портативних пристроїв вимагає, щоб різні сімейства зарядних мікросхем володіли різними функціями і опціями для гнучкості і універсальності застосування. Наприклад, зарядну мікросхему з широким діапазоном вхідних напруг можна застосовувати разом з різними адаптерами харчування. Гнучкий підхід в області процесу зарядки акумулятора полягає в широкому діапазоні настройки зарядних струмів. В такому випадку одну мікросхему можна застосовувати як для смартфонів і автономних зарядних пристроїв (power bank), де потрібен великий рівень зарядного струму, так і для пристроїв з невеликим струмом заряду, наприклад, Bluetooth-гарнітур.

Багато сучасні зарядні пристрої підтримують дві схеми управління: протокол I²C для комунікації і роботу в якості автономної ІС заряду. Це дозволяє підлаштуватися під вимоги конкретного додатка. Використовуючи протокол I²C, розробник може запрограмувати різні параметри мікросхеми заряду, такі як поріг спрацьовування VIN_DPM, струм заряду, обмеження по вхідному струмі, напруга регулювання і рівень завершення циклу заряду. При використанні зарядної мікросхеми в якості автономного устрою, де управління більш високого рівня не потрібно, розробник може запрограмувати ті ж самі параметри за допомогою зовнішніх елементів обв'язки і використовувати висновки мікросхеми для функції дозволу роботи (enable), а також для вибору різних рівнів обмеження по зарядного току.

Відповідно до сучасним стандартом зарядки акумуляторів BC1.2 функція детектування D + / D- USB пропонує більшу надійність при заряді від USB-портів. У недавньому минулому процес заряду від USB була вельми простим, при ньому пристрій неконтрольовано забирало через USB стільки енергії, скільки йому було необхідно. В сучасних портативних і мобільних пристроях високої потужності для зарядки потрібно набагато більше енергії від USB-порту, що веде до впровадження більш складних стандартів і протоколів. Слід згадати, що при наявності різних стандартів для різних класів і типів пристроїв, що підключаються до одного і того ж USB-порту, здатність розпізнавання пристрою USB-портом є дуже цінною.

Висновок

Для зарядки портативних пристроїв високої потужності існує велика кількість різних опцій.

В даний час на ринку доступні зарядні мікросхеми, які підтримують режим перемикання між джерелами і високий струм заряду з підвищеним ККД, що дозволяє зменшити час заряду, теплові перевантаження і площа на друкованій платі. Сучасні мікросхеми зарядних пристроїв поєднують в собі привабливу вартість BOM, малу площу рішення і високу функціональність.

оригінал статті

•••