Більше  наявність,  і відразу отримати рахунок на пошту,

перейдіть за цим посиланням  сайт amper.cf

Особливості контролерів зарядки Li-ion акумуляторів

У статті розглянуто деякі особливості контролерів зарядки літій-іонних (Li-Ion) акумуляторів, створених на базі лінійних та імпульсних стабілізаторів.

В

ведення

Змагання розробників і виробників портативних гаджетів по впровадженню у знову створювані (і при цьому все меншого розміру) пристрої апаратних модулів з розширеними функціональними можливостями навряд чи можна зупинити. Великі яскраві дисплеї з сенсорними панелями, Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, GSM, GPS, відеокамери з великим форматом матриці видеосенсора, аудіо - та відеоплеєри — лише неповний перелік вбудованих модулів і можливостей, що надаються сучасними мобільними пристроями. І, по суті, на шляху мініатюризації гаджетів завжди виникають дві нерозривно пов'язані проблеми: відвід розсіюваної потужності і малі габарити, які необхідно все це упакувати. Мобільний пристрій повинен не тільки привертати споживачів своїми інтелектуальними можливостями, але і не викликати при цьому опіків (в прямому сенсі цього слова) у користувача. Мінімізація рівня тепловиділення — один з важливих пріоритетів при розробці. Одним з джерел тепла є контролер зарядного пристрою, вбудованого в мобільний пристрій акумулятора.

Проблеми

Одним з обов'язкових компонентів сучасних портативних пристроїв є мало в чому змінився за останні роки літієво-іонний акумулятор, який відрізняється найкращими показниками серед ряду інших хімічних джерел електроенергії, призначених для використання в портативних додатках. Безперечно, його ємність зросла, істотно поліпшені і інші характеристики, що дозволило розширити функціональні можливості портативних пристроїв, проте базовий принцип його роботи та алгоритм зарядки мало в чому змінилися [1-7].
В середньому для повної зарядки літій-іонного акумулятора ємністю 1 А·год при струмі зарядки 1 А потрібно одну годину. Часто використовувані сьогодні USB-адаптери не можуть забезпечити струм більше 500 мА, і тому час зарядки може розтягнутися до 2-4 або більше годин. Одна з проблем, що виникають при зарядці великим струмом, — тепловиділення. Оскільки вихідна напруга повсюдно використовуваних мережевих і USB-адаптерів становить 5 В, а робоча напруга: 3,7...4,2 В, то середнє значення ККД контролера зарядки, побудованого на базі лінійного регулятора, не може бути краще, ніж 74% (3,7/5,0), а максимальне — 84% (4,2/5,0). На малюнку 1 наведена зона можливих втрат потужності в контролері в процесі зарядки акумулятора. Таким чином, при зарядці акумулятора струмом 1 А максимальні втрати складуть приблизно 1,3 Вт. Необхідно відзначити, що це не те неминуче виділення тепла, пов'язане з накопиченням енергії в акумуляторі для подальшого її використання, а тепловиділення, викликані нагріванням кристала ІС контролера зарядки. Щоб зменшити небажаний нагрівання кристала в процесі зарядки акумулятора, необхідно підвищувати ККД контролера, що досягається при використанні контролерів з імпульсним регулюванням. Крім того, їх застосування дозволяє потенційно прискорити тривалість зарядки.

Рис. 1. Розподіл втрат потужності в процесі зарядки акумулятора

У контролерах зарядки, створених на базі лінійних регуляторів з поділом шляхів протікання струмів навантаження і зарядки (PowerPath Technology), у разі невеликого струму навантаження напруга V_OUT одно майже 5 В (V_IN), а напруга на акумуляторі
V_BAT = 3,7 В. При цьому лінійний регулятор контролера зарядки використовується неефективно. При великому струмі через навантаження до неї додатково підключається акумулятор і при V_IN = 5 В, V_OUT = V_BAT = 3,7 В (див. рис. 2). В цьому випадку неефективно використовується прохідний транзистор контролера зарядки. І в першому, і в другому випадках зберігається величина падіння напруги на елементах регулювання V_IN – V_OUT = 1,3 або V_OUT – VB_AT = 1,3 В, що і призводить до небажаної втрати потужності. Особливість наведеної на рисунку 2 структурної схеми полягає в тому, що для підключення акумулятора до навантаження використовується пристрій, що виконує функції «ідеального» (далі — ідеального, прим. ред.) діода.

Рис. 2. Спрощена структурна схема пристрою зарядки з поділом шляхів протікання струмів навантаження і зарядки

Варіанти рішення

Що ж мається на увазі під запропонованим фахівцями компанії Linear Technology терміном «ідеальний» діод? [3, 7]. Широко застосовуються діоди Шотткі відрізняються порівняно з іншими напівпровідниковими діодами малим прямим падінням напруги і високою швидкістю перемикання. При використанні цього діода в якості напівпровідникового ключа, наприклад, у схемах автоматичного підключення до навантаження акумулятора або мережевого адаптера, як правило, застосовується проста схема монтажного АБО, основний недолік якої — порівняно велике падіння напруги на діоді. При підвищенні струму навантаження ростуть і втрати потужності на ньому. Вирішити цю проблему можна з використанням як діода МДН-транзистора. Ідея не нова, проте фахівці компанії Linear Technology при заміні діода на МОП-транзистор запропонували також спосіб визначення моменту перемикання ідеального діода в закрите і відкрите стану. Для цього здійснюється моніторинг падіння напруги між витоком (анодом) і стоком (катодом) транзистора. У розглянутому випадку — це МДН-транзистор з каналом N-типу. У момент підключення вхідного напруги, звичайно, якщо вхідна напруга більше вихідного, струм через захисний діод транзистора тече в навантаження. Транзистор відкривається, і падіння напруги на ньому дорівнює I_LOAD∙R_DS, де R_DS — опір переходу стік-витік. Як правило, це напруга приблизно в десять разів нижче, ніж падіння напруги на діоді Шотткі. Якщо напруга на аноді нижче, ніж на катоді, транзистор закривається.
Для моніторингу падіння напруги на транзисторі використовується спеціальний підсилювач. Проблема полягає в тому, як вибрати значення напруги порога перемикання і величину гістерезису компаратора. Наприклад, якщо відкривати транзистор при падінні напруги 25 мВ, а закривати при 5 мВ, це може призвести до того, що при малих струмах навантаження ключ просто закриється. Установка порогу на рівні -5 мВ призведе до того, що струм потече від навантаження до входу. Щоб виключити ці проблеми, падіння напруги між стоком і витоком відкритого транзистора підтримується з допомогою спеціального слідкуючого підсилювача на рівні 25 мВ. При зростанні струму навантаження підвищується також і керуюча напруга на затворі транзистора, і відповідно, знижується опір відкритого каналу. Таким способом падіння напруги на транзисторі підтримується майже постійним на рівні 25 мВ.
На певному етапі при збільшенні струму падіння напруги на транзисторі починає зростати пропорційно току (I_LOAD∙R_DSON). На малюнку 3 наведено вольт-амперні характеристики діода Шотткі (B530C) та ідеального діода [3, 7]. Запропонований метод управління МОН-транзистором дозволяє реалізувати плавне перемикання транзистора і навіть при невеликих струмах навантаження отримати мінімальну різницю напруги між стоком і витоком.

Рис. 3. Вольт-амперні характеристики ідеального діода і діода Шотткі

У мікросхемі LTC4358 (Linear Technology) матеріалізована ідея створення ідеального діода на базі вбудованого на кристал МДН-транзистора з каналом N-типу, що має опір (R_DSON) відкритого каналу 0,02 Ом. Напруга живлення ІС становить 9,0...26,5 В; максимальний струм: 5 А; час відключення транзистора при перевищенні струму обмеження — 0,5 мкс. Мікросхема LTC4358 призначена для заміни діодів в схемах перемикання джерел живлення, до яких підключається навантаження, побудованих на основі схеми монтажного АБО". Графіки залежності потужності, що розсіюється на ідеальному діоді (LTC4358) і на діоді Шотткі типу B530C показано на малюнку 4. Мікросхема LTC4358 виготовляється в корпусі 14-DFN і має розміри 4×3 мм
Крім того, компанія Linear Technology пропонує і інші ІВ, наприклад, LTC4352/55/57, LTC4411/13/ 16. Мікросхеми LTC4352/55/57 і LTC4416, по суті, є контролерами ідеального діода, і для цієї мети використовується зовнішній МОП-транзистор, в мікросхемах LTC4411/13 — вбудований. Мініатюрна ІС LTC4411 призначена для автоматичного перемикання навантаження між мережним адаптером і акумулятором в схемах, побудованих на основі монтажного АБО". Напруга вхідного джерела 2,6...5,5 В, струм споживання в статичному режимі не більше 40 мкА (при струмі навантаження до 100 мА). Максимальний опір відкритого каналу вбудованого МДН-транзистора з каналом P-типу становить 0,14 Ом, максимальний прямий струм — 2,6 А, струм витоку — менше 1 мкА. У мікросхемі передбачена захист від перегріву корпусу. Для підключення ИС LTC4411 не потрібні додаткові зовнішні компоненти. Мікросхема LTC4411 виготовляється в корпусі SOT-23-5.
У контролерах зарядки LTC4066, LTC4085, побудованих на основі лінійного регулятора, також реалізований ідеальний діод. Напруга живлення ІС 4,35...5,50 Ст. Опір ідеального діода, який використовується для підключення акумулятора до навантаження, при струмі 3 А становить всього 50 мОм. У контролерах передбачена можливість обмеження вхідного струму на рівні 100 або 500 мА. Мікросхеми LTC4066 виготовляються в корпусі 24-QFN (4×4 мм).

а)	б)
Рис. 4. Графіки залежності потужності, що розсіюється на ІС LTC4358 і діоді B530C, від протікає через них струму (а) і схема включення LTC4358 (б)

Мікросхеми LTC4088/LTC4098 — контролери зарядки літій-іонних акумуляторів, що забезпечують за рахунок застосування в них імпульсного регулятора не тільки високий ККД, але і реалізацію технології поділу шляхів протікання струмів навантаження і зарядки, що отримала назву Switching PowerPath. ІВ LTC4088/98 містять імпульсний знижує напругу регулятор і лінійний регулятор струму зарядки акумулятора. У конфігурації, наведеної на рисунку 5, різниця напруги V_IN – V_OUT хоча і зберігається майже незмінною (див. рис. 2), однак втрати потужності істотно менше, т. к. ККД регулятора досить високий (приблизно 92% при вихідному струмі 300 мА). Напруга V_OUT лише на кілька сотень мілівольт вище V_BAT. Прийняті в цих мікросхемах заходи забезпечують незначні втрати потужності.

Рис. 5. Спрощена структурна схема LTC4088

Мікросхема LTC4088 — високоефективний контролер зарядки літій-іонних акумуляторів, що забезпечує максимальний струм зарядки 1,5 А. В якості зовнішнього джерела живлення можна використовувати як мережевий адаптер, так і USB-порт. Напруга живлення LTC4088 — 4,25...5,50 Ст. Допускаються викиди вхідної напруги амплітудою до 7 Ст. Струм обмеження: 100, 500 або 1000 мА. Частота перетворення знижує напругу імпульсного стабілізатора складає 2,25 МГц. Підключення акумулятора до навантаження здійснюється з використанням вбудованого аналога ідеального діода з опором у відкритому стані 0,18 Ом. Передбачена також можливість підключення додаткового зовнішнього МДН-транзистора з каналом P-типу паралельно вбудованому ідеального диоду, що дозволяє істотно знизити сумарний опір комбінованого ключа (див. рис. 6). Крім того, в мікросхемі LTC4088 реалізований автономний стабілізатор напруги з вихідним напругою 3,3 В, що забезпечує струм навантаження до 25 мА.

Рис. 6. Графіки залежності опорів ідеального діода (LTC4088) і комбінованого ключа від напруги на акумуляторі

Мікросхема LTC4088 виготовляється в корпусі 14-DFN і має розміри 4×3 мм Максимальна температура корпусу 125°C, тепловий опір 37°C/Вт. ІВ LTC4098 — в корпусі 20-DFN з розмірами 4×3 мм, її тепловий опір 43°C/Вт. Діапазон робочих температур: від -40 до 85°C.
Мікросхеми bq2410x (Texas Instruments) забезпечують максимальний струм зарядки акумулятора до 2 А. Частота перетворення знижує напругу імпульсного регулятора складає 1,1 МГц. Мікросхеми bq2410x містять вбудовані ключі, виконані на базі МДН-транзисторів, що використовуються для підключення до навантаження мережевого адаптера або акумулятора. Максимальний ККД — 93%.
Мікросхеми bq2410х виготовляються в корпусі 20-QFN (3,5×4,5 мм). Допустима потужність розсіювання до температури кристала 40°C становить 1,81 Вт, тепловий опір — 46,87°C/Вт. Діапазон робочих температур: від -40 до 85 °C.
Як і для ІС, створених на базі лінійних регуляторів (наприклад, MAX1811, LTC4065/69/95, MCP73831/2, MCP73811, bq2402x/3х/6х, bq2057, bq24085), так і у випадку використання імпульсних перетворювачів, є два варіанти підключення навантаження і акумулятора: безпосереднє підключення (в одну точку) і підключення з можливістю вибору шляхів протікання зарядного струму і струму навантаження.
Існує два варіанти безпосереднього підключення навантаження до акумулятора. У першому випадку навантаження підключається після вимірювального резистора R_SNS (див. рис. 7а), а в другому — до нього (див. рис. 7б). У першому варіанті вхідна напруга V_IN перетвориться в напругу V_OUT з високим ККД. При мережному адаптері забезпечується енергоживлення навантаження і одночасно зарядка акумулятора, у разі відключення адаптера живлення навантаження здійснюється від акумулятора.

a)	б)
Рис. 7. Структурні схеми підключення навантаження до (а) і після (б) вимірювального резистора

Переваги першого варіанту топології:
– при відключеному адаптері енергоживлення навантаження здійснюється безпосередньо від акумулятора з мінімальними втратами потужності;
– можливе використання технології динамічного управління струмом зарядки акумулятора (Dynamic Power Management — DPM), що дозволяє за рахунок динамічного зниження струму зарядки запобігти потенційну ймовірність перевантаження ІС по струму зарядки і її перегріву корпусу при пікових навантаженнях, а, крім того, зберігається можливість обмеження сумарного вхідного струму;
– малі зміни напруги на навантаженні;
– досить просто на програмному рівні реалізується режим токового м'якого старту.
При виборі топології підключення акумулятора до навантаження слід брати до уваги деякі особливості. Якщо середній струм навантаження тривалий час досить великий, то процес зарядки затягується, і виникає ситуація, при якій акумулятор безперервно знаходиться в процесі зарядки, що скорочує його термін служби. Оскільки межа обмеження сумарного струму фіксований на апаратному рівні, то при достатньо великому струмі через навантаження струм зарядки акумулятора також знижується, що призводить до надмірного збільшення часу зарядки акумулятора до його повної ємності, і тому цілком імовірна ситуація, при якій буде просто неможливо повністю його зарядити.
Якщо при зарядженому акумуляторі струм навантаження збільшиться, то внаслідок падіння напруги на внутрішньому опорі акумулятора вихідна напруга може знизитися до порога, при якому буде ініціюватися черговий цикл зарядки, який, в свою чергу, швидко завершиться. Таким чином, можлива ситуація, за якої процес зарядки буде стартувати циклічно. При невеликому струмі навантаження інтервал часу від моменту зменшення вихідної напруги (за рахунок падіння напруги на акумуляторі) до необхідного порогу для старту чергового процесу зарядки істотно збільшується.
У фазі попередньої зарядки (при напрузі на акумуляторі нижче 3,0) струм зарядки становить приблизно 10% номінальної ємності акумулятора, чого найчастіше занадто мало для енергопостачання продовжує працювати пристрою, яке в цьому випадку мусить живитися від акумулятора, а останній відповідно продовжує розряджатися. Крім того, оскільки для попередньої фази зарядки відводиться певний задається спеціальним таймером інтервал часу, протягом якого напруга на акумуляторі має досягти порогу 3,2, то створюється ситуація, при якій напруга на акумуляторі не зростає, а таймер починає сигналізувати, що акумулятор пошкоджений.
Не слід забувати, що основний недолік безпосереднього підключення акумулятора до навантаження полягає в тому, що при повністю або глибоко розрядженому акумуляторі напруга на навантаженні (навіть за умови підключення мережевого адаптера) дорівнює напрузі на акумуляторі, чого буває явно недостатньо для роботи пристрою, і, звичайно, у багатьох випадках це просто неприпустимо.
У другому варіанті (див. рис. 7б) навантаження підключена до вимірювального резистора (R_SNS). Ця топологія, порівняно з тією, в якій навантаження підключена після резистора, має ряд переваг. Основним є те, що в ній контролюється струм, що протікає тільки через акумулятор, і тому всі три режими зарядки (попередній, режим власне зарядки зі струмом, рівним величині ємності акумулятора і режим завершення) працюють без будь-яких проблем, пов'язаних з протіканням струму через навантаження.
Глибоко розряджений акумулятор можна без ризику підключати до контролера зарядки, не побоюючись завершення роботи таймера, що визначає безпечну тривалість попередньої фази зарядки, ще до закінчення цього етапу. Слід також брати до уваги, що сумарний струм через контролер зарядки обмежений на рівні максимально допустимого струму через кристал, а також роботою системи захисту від перегріву ІС. Струм зарядки не зменшується при зростанні струму навантаження, тому ця топологія не використовується при великих струмах навантаження.
При великих струмах навантаження і зарядки забезпечити низький рівень тепловиділення вкрай складно навіть при використанні імпульсних регуляторів з вбудованими транзисторними ключами. Тому при великих струмах потужні ключі, як правило, не інтегруються на кристалі мікросхеми, а розміщуються поза її корпусу.
Прикладом таких ІС можуть служити bq24702/3/5 і bq246хх (Texas Instruments), що забезпечують струм зарядки до 10 А (bq24610/17). На відміну від bq2410x зарядки пристрою, створені на базі ІС bq246хх, містять зовнішні ключі. Частота перетворення імпульсного стабілізатора ІС bq24610/17 становить 600 кГц. Крім того, в контролерах bq24610/17 реалізована технологія динамічного керування струмом зарядки акумулятора DPM, заснована на моніторингу величини вхідного струму. Для незалежного вимірювання сумарного (вхідного) струму і струму зарядки акумулятора в контролері bq24610 реалізовані два прецизійних підсилювача. Для підключення навантаження до адаптера, а також акумулятор до навантаження використовуються ключі на потужних зовнішніх МДН-транзисторах.
Мікросхеми bq24610/17 виготовляються в корпусі 24-QFN (4×4 мм). Допустима потужність, що розсіюється при температурі 25°C, становить 2,3 Вт; теплове опір — 43°C/Вт.
Висновок
На закінчення в таблицях 1, 2 наведені параметри деяких контролерів зарядки, побудованих на основі як лінійних, так і імпульсних регуляторів.

Таблиця 1. Параметри контролерів зарядки, створених на базі лінійних регуляторів

Таблиця 2. Параметри контролерів зарядки, створених на базі імпульсних регуляторів

Схема безпосереднього підключення акумулятора до навантаження і контролера зарядки, створеному на основі лінійного регулятора, відрізняється простотою, а пристрої, виконані на базі цієї архітектури — більш низькою вартістю. Проте при великих струмах навантаження навряд чи можна рекомендувати використання цієї топології через велику ймовірність перегріву кристала ІС. При безпосередньому підключенні акумулятора до навантаження можна досягти мінімального зміни рівня напруги на навантаженні.
Проблема втрати потужності зберігається також і в контролерах зарядки, створених на основі безперервного регулювання, з поділом шляхів протікання струмів навантаження і зарядки. Більш високого ККД можна досягти за рахунок застосування імпульсного регулятора, що дозволяє створювати на його базі контролери з струмом зарядки акумулятора більше 10 А. Крім того, в цих контролерах найчастіше використовується технологія поділу шляхів протікання струмів навантаження і зарядки, основною перевагою якої є висока надійність.
Більш повну інформацію про мікросхемах зарядки акумуляторів можна знайти в [2-6].