Практические аспекты применения зарядных микросхем для портативных устройств высокой мощности
9 апреля 2018
потребительская электроникаTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемыисточники питаниясредства разработки и материалы
Тахар Аллак, Венцзя Лю (Texas Instruments)
Тема преимуществ линейных или импульсных микросхем заряда для разных типов портативных приложений продолжается – на этот раз для портативных устройств высокой мощности, например, смартфонов. Но вновь – на примере ИС заряда производства Texas Instruments.
Мобильные телефоны являются отличным примером того, как улучшились за последние 10 лет функциональность и технические характеристики портативных устройств. В плане выполнения обычных базовых задач они приблизились к домашнему компьютеру. Постоянно возрастающая функциональность перевела обычный мобильный телефон из категории «устройства, которое только звонит» в разряд многофункциональных портативных микрокомпьютеров.
Для того чтобы обеспечить безопасный заряд и, соответственно, большое количество циклов заряда аккумулятора, зарядное устройство должно быть максимально гибким в функциональном плане, поскольку оно должно гарантировать передачу необходимого количества электроэнергии в любое время и обеспечивать достаточный уровень защиты как для самого аккумулятора, так и для всей системы.Обзор решений по заряду аккумуляторов
Перезаряжаемые батареи – необходимый элемент в устройствах портативной электроники: в мобильных телефонах и различных гаджетах. Стоит отметить, что на разработку зарядного устройства влияет сразу несколько факторов, это типы химических веществ внутри батареи, уровни мощности и требуемый максимальный ток нагрузки. Батареи на базе различных химических соединений имеют разные требования к алгоритмам заряда. Уровень мощности всей системы электроснабжения портативного устройства глобально влияет на размер и стоимость зарядного устройства. И, наконец, максимальный ток нагрузки заставляет применять специальную топологию Power-path, которая позволяет управлять потоками мощности между батареей и нагрузкой.
Литий-ионные аккумуляторы стали одними из самых массовых аккумуляторов для многих портативных приложений. На это есть несколько причин. Во-первых, аккумуляторы такого типа обладают очень хорошими удельными характеристиками, такими как отношение запасаемой емкости к размеру и массе. Также у них очень низкий уровень саморазряда. И, наконец, у них достаточно большое напряжение ячейки – обычно 3,6…3,7 В, что позволяет использовать всего один аккумулятор для большинства приложений. Но все-таки литий-ионные аккумуляторы весьма чувствительны к физическим повреждениям. Они требуют соблюдения определенных условий для корректной и продолжительной работы, а именно — определенного тока заряда и напряжения регулирования, зарядки по специальным алгоритмам, мониторинга температуры и так далее.
Существуют зарядные устройства линейного и импульсного типов. Импульсные зарядные устройства обладают сравнительно малой мощностью потерь в широком диапазоне входных напряжений, но занимают больше места на печатной плате и имеют достаточно сложную схемотехнику.
Также импульсные решения, как правило, дороже по стоимости, чем эквивалентные линейные. Линейные зарядные устройства обладают меньшими размерами, имеют очень низкий уровень ЭМ-шума и, следовательно, отлично подходят для малошумящих приложений. Однако они менее эффективны в процессе всего цикла заряда, чем их импульсные конкуренты. Для того чтобы правильно выбрать тип зарядной микросхемы, разработчику необходимо предварительно продумать вопросы стоимости решения, оценить наличие свободного места на печатной плате и температурные характеристики решения. Разнообразие требований к устройствам портативной и носимой электроники породило большое количество различных решений по зарядке АКБ: от обычного автономного зарядного устройства до целой встроенной системы электроснабжения с большим количеством различных функций. К таким системным зарядным микросхемам предъявляются следующие требования:
- необходимость быстрой коммутации аккумулятора к нагрузке в случае пропадания основного электропитания;
- малое сопротивление Rds(on) каналов протекания тока для уменьшения потерь и улучшения температурных характеристик;
- высокий зарядный ток для возможности использования аккумуляторов большой емкости и уменьшения времени заряда;
- динамическая подстройка параметров заряда в зависимости от мощности и возможностей источника питания.
Компактное зарядное устройство для одного аккумулятора
В настоящее время большинство адаптеров питания смартфонов рассчитаны на максимальную выходную мощность 5…10 Вт. На рисунке 1 показана требуемая входная мощность адаптера питания или USB-порта при различных уровнях зарядного тока. Для зарядного тока 1,5 А требуемая мощность возрастает от 3 до 5 Вт, так как напряжение на аккумуляторе возрастает от 3 В до полной зарядки. При токе 3 А требуемая мощность возрастает до 12 Вт в течение цикла заряда. При этом, в зависимости от степени разряда аккумулятора, адаптер питания мощностью 5 или 10 Вт может выйти из строя и система перестанет функционировать. Чтобы предотвратить это, зарядная микросхема должна иметь специальную защитную функцию, которая регулирует потребляемую мощность от источника. Например, микросхема BQ24250 производства компании Texas Instruments имеет функцию динамической подстройки параметров заряда (Dynamic power management), которая следит за уровнем входного напряжения (вывод ИС V
Эта функция работает следующим образом. Если мощности входного источника питания недостаточно для обеспечения нормального процесса заряда с предустановленным и настроенным уровнем зарядного тока, то напряжение источника начнет проседать. В тот момент, когда напряжение источника достигнет запрограммированного разработчиком порога VIN_DPM, зарядный ток автоматически уменьшится. Это позволяет ограничить входную мощность зарядной микросхемы и предотвратить дальнейшее падение напряжение источника питания. Функция позволяет применять зарядное устройство с адаптерами различной мощности без схемотехнических изменений.
Рис. 1. Требуемая входная мощность при различных токах заряда
Время заряда
Время заряда зависит от емкости батареи и уровня зарядного тока. Самый простой способ ускорить зарядку аккумулятора – заряжать его более высоким током. Однако зарядка током, превышающим 80% от номинальной емкости аккумулятора С (0,8 C), может привести к деградации аккумулятора.
Такой уровень тока быстро истощает ресурс аккумулятора или даже может повредить его, что приведет к катастрофическим последствиям. Компания Texas Instruments разработала алгоритм оптимизации цикла заряда, который позволяет уменьшить время этого процесса при заданной его скорости.
Цикл заряда литий-ионных аккумуляторов, как правило, состоит из трех фаз: предзарядки (малый ток), быстрой зарядки (постоянный ток CC) и завершающего заряда (постоянное напряжение CV). Переход от одной фазы к другой для многих импульсных зарядных устройств не идеален. На рисунке 2 изображен переход от режима постоянного тока в режим постоянного напряжения в обычном зарядном устройстве. И напряжение, и ток не имеют четкого перехода при смене фаз заряда. Это приводит к увеличению времени заряда и избыточной потере мощности. Зарядная микросхема производства Texas Instruments разработана с применением специального алгоритма, который обеспечивает более жесткий переход от одной фазы к другой. На рисунке 3 изображен цикл заряда аналогичного аккумулятора при тех же условиях, что и на рисунке 2, но при этом время заряда сокращено на 15%.
Рис. 2. Стандартный цикл заряда без технологии оптимизации по времени
Рис. 3. Цикл заряда литий-ионного аккумулятора для импульсной зарядной микросхемы с оптимизацией по времени
Размер печатной платы и стоимость решения
При более высоких токах заряда линейные зарядные устройства выглядят менее привлекательно. Их повышенные потери в течение цикла заряда увеличивают тепловую нагрузку на систему. Это особенно важно в приложениях с ограниченным местом на печатной плате и высокими значениями тока заряда. Такие условия применения мотивируют к использованию импульсных зарядных устройств. Многие производители, такие как Texas Instruments, стараются расширить горизонты инноваций и одновременно удовлетворить требование рынка по уменьшению стоимости решения без особого влияния на функционал своих продуктов.
К примеру, микросхема BQ24250 – это высокоинтегрированное и системное решение по зарядке одного литий-ионного аккумулятора с широким функционалом. Микросхема отлично подходит для портативных устройств с аккумулятором высокой емкости. На рисунке 4 изображено сравнение различных решений по зарядке аккумуляторов и занимаемое ими место на печатной плате. Из рисунка видно, что семейство микросхем BQ2425x может обеспечить зарядный ток на уровне 2 А, имеет малое количество компонентов обвязки и занимает на печатной плате всего 42 мм².
Рис. 4. Размеры технических решений на базе различных микросхем
КПД и тепловые характеристики
Уменьшение размера схемы зарядного устройства влияет на тепловые характеристики всей печатной платы. Чем меньше занимаемая площадь, тем меньше остается места, чтобы рассеять тепло, которое выделяется за счет потерь в процессе заряда. Для заданной площади, занимаемой решением на печатной плате, единственный способ уменьшить тепловую нагрузку – это увеличить КПД преобразователя в процессе заряда.
Более высокий КПД позволяет уменьшить мощность потерь и, следовательно, выделяемое микросхемой тепло.
Если сравнивать мощность потерь между линейным и импульсным зарядными устройствами в портативной электронике высокой мощности, то окажется, что применение линейной зарядки менее желательно из-за высокой мощности потерь в процессе заряда, особенно для низковольтных аккумуляторов. Высокая мощность потерь обусловлена тем, что для преобразования энергии используется линейный регулятор.
Импульсные зарядные устройства имеют более высокий КПД в диапазоне полного цикла заряда и, следовательно, у них меньше мощность тепловых потерь. На рисунке 5 показано сравнение мощности тепловых потерь у линейного и импульсного зарядных устройств. Выбор в пользу импульсного зарядного устройства – логичный шаг для того, чтобы уменьшить количество выделяемой мощности тепловых потерь на плате. Уменьшение сопротивления открытого канала Rds(on) интегрированных в микросхему полевых FET-транзисторов помогает увеличить КПД зарядника при больших токах, так как именно из-за Rds(on) выделяется наибольшее количество тепловых потерь.
Микросхема BQ24250 имеет интегрированные FET-транзисторы с малым значением сопротивления открытого канала Rds(on). Встроенные MOSFET высокого и низкого плечей имеют сопротивление 100 мОм в открытом состоянии каждый. Это помогает повысить КПД преобразования энергии от источника до системы. Сопротивление открытого канала FET-ключа, который соединяет аккумулятор и источник, составляет всего 20 мОм. Это также помогает уменьшить потери в процессе заряда и разряда. На рисунке 6 изображен график КПД микросхемы BQ24250, из которого видно, что КПД может достигать 95%.
Рис. 5. Сравнение по мощности потерь линейного и импульсного зарядного устройства
Рис. 6. КПД системы на базе BQ245250 с напряжением регулирования 4,2 В
Защита и продление времени жизни аккумуляторов
Главным ограничением в области применения портативных устройств высокой мощности является время жизни аккумулятора. Уменьшение емкости аккумулятора с течением времени сильно влияет на время работы портативного устройства в активном режиме.
Аккумулятор в любом случае подвержен временной деградации. И единственное, что можно сделать – это замедлить процесс деградации путем уменьшения стрессов во время зарядки и разрядки аккумулятора. Литий-ионные аккумуляторы весьма чувствительны к слишком высоким токам заряда и перенапряжениям. Микросхема BQ24250 может регулировать выходное напряжение с точностью ±0,5% при комнатной температуре. Точность поддержания тока заряда этой микросхемы находится в пределах ±0,75%, в диапазоне температур 0…125°С. Такая точность позволяет разработчику прецизионно запрограммировать уровни токов и напряжения в соответствии с техническими требованиями. При такой высокой точности поддержания тока и напряжения аккумулятор может быть заряжен без потери части ресурса.
На рисунке 7 изображен график точности регулирования тока заряда в зависимости от температуры. Для уровня зарядного тока 1,5 А точность составляет 2% от типового значения, данного в технической документации.
Рис. 7. Точность поддержания тока заряда в зависимости от температуры
Режим SYSOFF
В процессе предпродажной транспортировки и хранения аккумулятор должен быть отсоединен от любых нагрузок, чтобы предотвратить его истощение.
Микросхема BQ24250 имеет специальный режим SYSOFF, который может быть настроен таким образом, чтобы выключать внутренний FET и отсоединять аккумулятор от всей системы. Если режим SYSOFF активирован, то ток потребления микросхемой заряда от аккумуляторной батареи спадает до значения менее 1 мкА (рисунок 8). Микросхема автоматически выводится из этого режима, если конечный пользователь подключил адаптер питания к зарядному устройству и на входе появилось напряжение.
Рис. 8. Ток утечки аккумулятора в режиме SYSOFF
Гибкость в применении
В современной конкурентной среде большинство игроков рынка микроэлектроники постоянно фокусируется на снижении себестоимости продукции, при этом расширяя функционал своих решений. Это может принести больше прибыли и улучшить рыночную репутацию. Возможность приспособить один и тот же чип для различных продуктов или выпускать несколько поколений конкретной ИС напрямую влияет на экономию средств производства. Такой подход также укорачивает временной интервал, необходимый на освоение нового продукта, и позволяет избежать ненужных рисков, используя уже известное решение.
Рынок современных портативных устройств требует, чтобы различные семейства зарядных микросхем обладали различными функциями и опциями для гибкости и универсальности применения. Например, зарядную микросхему с широким диапазоном входных напряжений можно применять вместе с различными адаптерами питания. Гибкий подход в области процесса зарядки аккумулятора заключается в широком диапазоне настройки зарядных токов. В таком случае одну микросхему можно применять как для смартфонов и автономных зарядных устройств (power bank), где требуется большой уровень зарядного тока, так и для устройств с небольшим током заряда, например, Bluetooth-гарнитур.
Многие современные зарядные устройства поддерживают две схемы управления: протокол I²C для коммуникации и работу в качестве автономной ИС заряда. Это позволяет подстроиться под требования конкретного приложения. Используя протокол I²C, разработчик может запрограммировать различные параметры микросхемы заряда, такие как порог срабатывания VIN_DPM, ток заряда, ограничение по входному току, напряжение регулирования и уровень завершения цикла заряда.
При использовании зарядной микросхемы в качестве автономного устройства, где управления более высокого уровня не требуется, разработчик может запрограммировать те же самые параметры с помощью внешних элементов обвязки и использовать выводы микросхемы для функции разрешения работы (enable), а также для выбора различных уровней ограничения по зарядному току.
В соответствии с современным стандартом зарядки аккумуляторов BC1.2 функция детектирования D+/D- USB предлагает большую надежность при заряде от USB-портов. В недавнем прошлом процесс заряда от USB была весьма незатейливым, при нем устройство неконтролируемо забирало через USB столько энергии, сколько ему было необходимо. В современных портативных и мобильных устройствах высокой мощности для зарядки требуется намного больше энергии от USB-порта, что ведет к внедрению более сложных стандартов и протоколов. Следует упомянуть, что при наличии разных стандартов для различных классов и типов устройств, подключаемых к одному и тому же USB-порту, способность распознавания устройства USB-портом является весьма ценной.
Заключение
Для зарядки портативных устройств высокой мощности существует большое количество различных опций.
В настоящее время на рынке доступны зарядные микросхемы, которые поддерживают режим переключения между источниками и высокий ток заряда с повышенным КПД, что позволяет уменьшить время заряда, тепловые перегрузки и площадь на печатной плате. Современные микросхемы зарядных устройств сочетают в себе привлекательную стоимость BOM, малую площадь решения и высокую функциональность.
Оригинал статьи
•••
Страница не найдена – Властелин колец Кольца власти на Amazon Prime News, Дж. Р. Р. Толкин, Хоббит и многое другое
Похоже, в этом месте ничего не найдено. Может попробовать одну из ссылок ниже или поиск?
Искать:Наиболее часто используемые категории
- Хоббит (4868)
- Хоббит Фильм (4268)
- событий (3398)
- Властелин колец (4108)
- Фильмы LotR (3168)
- болельщиков (2013)
- Товары (1976)
- Толкин (1398)
- Старые главные новости (21 978)
- Старые специальные репортажи (3840)
Архивы
Попробуйте поискать в месячных архивах.
🙂
Archivesselect Месяц марта 2023 г., февраль 2023 г., январь 2023 г., декабрь 2022 г., ноябрь 2022 г., октябрь 2022 г., сентябрь 2022 г., август 2022 г., июль 2022 г., июнь 2022 г., май 2022 г., апрель 2022 г. Март 2022 г., февраль 2022 г., январь 2022 г., декабрь 2021 г., ноябрь, 2021 г., 2021 г., 2021 г., 2021 июль 2021 июня 2021 года. 2021 Апрель 2021 Март 2021 Февраль 2021 Январь 2021 Декабрь 2020 Ноябрь 2020 Октябрь 2020 Сентябрь 2020 Август 2020 Июль 2020 Июнь 2020 Май 2020 Апрель 2020 Март 2020 Февраль 2020 Январь 2020 Декабрь 2019Ноябрь 2019 г. Октябрь 2019 г. Сентябрь 2019 г. август 2019 г., июль 2019 г., июнь 2019 г., май 2019 г., апрель 2019 г. Март 2019 г. Февраль 2019 г., январь 2019 г. Декабрь 2018 г., ноябрь 2018 г., октябрь 2018 г., сентябрь 2018 г., август 2018 г., июль 2018 г., июнь 2018 г., май 2018 апрель 2018 г. Март 2018 г. Февраль 2018 г. Январь 2018 г. Декабрь 2018 г. Ноябрь 2017 г. Октябрь 2017 г. Сентябрь 2017 г. Август 2017 г.
, июль 2017 г., июнь 2017 г., май 2017 г., апрель 2017 г. Март 2017 г. Февраль 2017 г. Январь 2017 г. Декабрь 2016 г., ноябрь 2016 г., октябрь 2016 г. Сентябрь 2016 г., август 2016 г., июль 2016 г., июнь 2016 г., май 2016 г., апрель 2016 г. Март 2016 г., Февраль 2016 г., январь 2016 г. Декабрь 2015 г. Ноябрь 2015 г. Октябрь 2015 г. Сентябрь 2015 г. август 2015 г., июль 2015 г., июнь 2015 г., май 2015 г., апрель 2015 г. Март 2015 г., февраль 2015 г. Январь 2015 г. Декабрь 2014 г., ноябрь 2014 г., октябрь 2014 г. Сентябрь 2014 г., август 2014 г., июль 2014 г., июнь 2014 г., май 2014 г. Апрель 2014 г. Март 2014 г. Февраль 2014 г. Январь 2014 г. Декабрь 2013 г. Ноябрь 2013 г. Октябрь 2013 г. Сентябрь 2013 г. Август 2013 г., июль 2013 г., июнь 2013 г., май 2013 г., апрель 2013 г. Март 2013 г. Февраль 2013 г. Январь 2013 г. Декабрь 2012 г., ноябрь 2012 г., октябрь 2012 г. 2012 г., август 2012 г., июнь 2012 г., июнь 2012 г., май 2012 г., апрель 2012 г. Март 2012 г., февраль 2012 г., январь 2012 г.
, декабрь 2011 г., ноябрь 2011 г., Октябрь 2011 г., 2011 г., 2011 г., июль, июль, июль. 2011 Июнь 2011 Май 2011 Апрель 2011 Март 2011 Февраль 2011 Январь 2011 Декабрь 2010 Ноябрь 2010 Октябрь 2010 Сентябрь 2010 Август 2010 Июль 2010 Июнь 2010 Май 2010 Апрель 2010 Март 2010 Февраль 2010 Январь 2010 Декабрь 2009Ноябрь 2009 г., октябрь 2009 г., сентябрь 2009 г. Август 2009 г., июнь 2009 г., июнь 2009 г., май 2009 г., апрель 2009 г. Март 2009 г. Февраль 2009 г., январь 2009 г. Декабрь 2008 г., ноябрь, октябрь 2008 г., сентябрь 2008 г., август 2008 г., июль 2008 г., июнь 2008 г., май 2008 г., апрель 2008 г. Март 2008 г. Февраль 2008 г., январь 2008 г., декабрь 2007 г., ноябрь 2007 г. 2007 г. Октябрь 2007 г. Сентябрь 2007 г. август 2007 г., июль 2007 г., июнь 2007 г., май 2007 г., апрель 2007 г., март 2007 г., февраль 2007 г., январь 2007 г., декабрь 2006 г., ноябрь 2006 г., октябрь 2006 г., сентябрь 2006 г., август 2006 г., июль 2006 г., июнь 2006 г., май 2006 г. Апрель 2006 г. Март 2006 г. Февраль 2006 г.
