eng
Выпуск #6/2012
В.Хадден
ИС для заряда Li-Ion-аккумуляторов – как сделать правильный выбор
ИС для заряда Li-Ion-аккумуляторов – как сделать правильный выбор
Просмотры: 2969
Чтобы выбрать наиболее подходящую ИС для заряда Li-Ion-аккумулятора, нужно до начала разработки учесть и проанализировать несколько факторов, например, размеры конечного продукта, USB-совместимость и себестоимость. О том, как сделать оптимальный выбор, рассказывается в статье.
Цикл заряда Li-Ion-аккумуляторов
Для безопасного заряда и продления срока службы Li-Ion-аккумуляторов нужно использовать специальный цикл заряда (рис.1). Аккумулятор заряжается в два этапа: от постоянного тока (CC) и постоянного напряжения (CV). В CC-режиме ток может иметь одно из двух значений. При очень низком напряжении в аккумуляторе для того, чтобы сохранить элемент батареи и избежать его повреждения, зарядный ток понижается до предварительного уровня. Эта пороговая величина тока зависит от типа химического элемента и обычно определяется производителем. После того как напряжение в элементе превысит предварительный зарядный уровень, сила тока повышается для ускорения заряда. Максимальная сила тока для быстрого заряда составляет 1С (где С – ток, необходимый для разряда батареи за 1 ч), но ее точное значение также определяется производителем. Обычно для максимизации жизненного цикла элемента батареи применяется ток ~0,8С. При заряде аккумулятора растет и напряжение. Как только оно достигнет определенного уровня (обычно 4,2 В), зарядный ток понижается, а напряжение поддерживается постоянным. В этом режиме сила тока снижается по мере заряда аккумулятора, и сопротивление батареи уменьшается. При уменьшении силы тока до определенной величины (обычно это 10% от силы тока для быстрого заряда) процесс заряда прекращается.
Линейные и импульсные зарядные устройства
Для понижения напряжения адаптера до напряжения элемента батареи и управления различными стадиями процесса заряда есть два типа устройств: линейные регуляторы и импульсные стабилизаторы. Рассмотрим их преимущества и недостатки.
Импульсные стабилизаторы обычно обеспечивают максимальный КПД. В их цепях используются такие элементы, как ключ, выпрямитель, дроссель, входные и выходные конденсаторы. Для многих приложений размер зарядного устройства может быть уменьшен, если выбрать ИС, объединяющую ключ и выпрямитель в одном чипе. КПД таких цепей обычно варьируется от 80 до 96% в зависимости от нагрузки. Вместе с тем, импульсные стабилизаторы имеют и недостатки: занимают больше места на плате из-за размеров дросселя и, как правило, обходятся дороже, а также создают электромагнитные помехи от дросселя и шумы на выходе от переключений.
Линейные регуляторы понижают напряжение постоянного тока падением входного напряжения на проходном элементе. Их преимущество в том, что необходимы всего три модуля: проходной элемент и конденсаторы на входе и выходе. Зарядный ток регулируется изменением сопротивления проходного элемента. Устройства на базе линейных регуляторов напряжения, как правило, дешевле и производят меньше шума. Входной ток в линейных регуляторах равен току нагрузки – это означает, что их КПД равен отношению входного и выходного напряжений. Отсюда и недостаток линейных регуляторов – низкий КПД при больших различиях входного и выходного напряжений (например, при разряженном аккумуляторе). Вся мощность в этом случае рассеивается на проходном элементе. Поэтому линейный регулятор – это не идеальное решение для приложений с высоким током заряда, где разница между вводом и выводом велика. Здесь требуется теплоотвод, что увеличивает размеры устройства.
Увеличение температуры из-за рассеивания мощности может быть рассчитано с использованием теплового сопротивления. Оно различно для каждого устройства и зависит от таких параметров, как разводка платы, поток воздуха, корпус ИС и др. Тепловое сопротивление для платы конечного продукта должно быть смоделировано с учетом всех перечисленных факторов. Нужно иметь в виду, что значение теплового сопротивления, указываемое в спецификации ИС, не дает точного реального значения этой величины [1].
Какое устройство следует применить?
Первый параметр, который необходимо рассмотреть, – это ток заряда. Для небольших приложений, таких как Bluetooth-гарнитуры, где ток заряда – от 25 до 150 мА, лучшим решением почти всегда является линейное зарядное устройство. Эти приложения, как правило, очень компактны, и в них нет места для крупных компонентов стабилизатора. Кроме того, из-за низкой потребляемой мощности нагрев от ее рассеивания незначителен. Для мобильных телефонов ток заряда, как правило, находится в диапазоне 350–700 мА и здесь во многих случаях линейное зарядное устройство по-прежнему вполне пригодно. А с учетом себестоимости этих, обычно недорогих, телефонов такое решение идеально.
Для смартфонов, в которых размер батареи увеличивается и ток заряда может быть больше 1,5 А, предпочтительны импульсные зарядные устройства. При силе тока 1,5 А потери тепла могут быть довольно высокими. Например, при заряде батареи 3,6 В от 5-В адаптера с линейным зарядным устройством эффективность составляет 72%. На первый взгляд, не так уж и плохо. Но в этом случае рассеиваемая мощность будет составлять около 2 Вт, что при тепловом сопротивлении 40°C/Вт даст повышение температуры ядра на 80°С. При окружающей температуре в 40°C системная плата может нагреваться до 120°C, а это неприемлемо для портативных устройств. Импульсные зарядные устройства при тех же условиях дают повышение эффективности примерно до 85%. Для батареи 3,6 В рассеиваемая мощность составляет менее 1 Вт, что приводит к повышению температуры на 40°C. Такое улучшение еще более значительно для батареи 3 В. При 80%-ной эффективности на выходе рассеиваемая мощность при напряжении на батарее 3 В составит менее 800 мВт, и повышение температуры будет еще меньше (около 32°C). Размеры смартфонов вполне позволяют использовать зарядные устройства на базе импульсных стабилизаторов.
Выбор наилучшей ИС
После того, как завершен предварительный анализ тепловых характеристик и выбран тип зарядного устройства, можно выбирать лучшие ИС для конкретного приложения. Новые решения для зарядных устройств имеют множество функций, которые можно использовать для улучшения системы. Это, например, защита от перенапряжения на входе, раздельное подключение аккумулятора и систем заряжаемого устройства, терморегуляция, мониторинг терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC-термисторов) и заряд через USB-интерфейс. Рассмотрим эти функции подробнее.
Входная защита от перенапряжения
Сегодня заряд через USB стал необходимостью, поскольку это наиболее распространенный интерфейс для периферийных устройств. При этом вместо двойного входа (для питания через специальный адаптер переменного тока и передачи данных через разъем USB) стали использовать один USB-порт. Это создало много проблем для интерфейса. При огромном количестве различных адаптеров на рынке универсальный разъем на входе должен выдерживать без повреждений гораздо более высокое напряжение. Поскольку зарядное устройство всегда подключено к входу, то имеет смысл сделать так, чтобы оно могло защищать от перенапряжения все, что к нему подсоединено. Для этого существует много устройств, выдерживающих напряжение 20 или даже 30 В. Кроме того, они имеют схему защиты от перенапряжения, которая запрещает эксплуатацию, если напряжение на входе выше определенного порога. Это еще больше защищает подключенные цепи от возможных перенапряжений при переходных ситуациях.
Для заряда через USB-порты многие зарядные ИС содержат ограничители тока до значений 100 и 500 мА. Это гарантия того, что превышений ограничения по току во всех последующих цепях системы не возникнет [2].
Раздельное подключение
Традиционный подход к заряду аккумуляторов состоит в том, чтобы подключить зарядное устройство к аккумулятору, а уже через него запитать остальную часть системы (рис.2). Но такой способ порождает ряд проблем: невозможность работы системы при низком уровне заряда батареи, длительное время заряда и др. Раздельное подключение аккумулятора и системы (рис.3) устраняет эти проблемы [3].
Минимальное напряжение системы. При традиционном подходе напряжение системы всегда совпадает с напряжением в аккумуляторе. В результате система не начнет работать, пока батарея не зарядится до нужного уровня. При раздельном подключении напряжение системы регулируется отдельно от напряжения батареи. Это означает, что система может работать вне зависимости от уровня напряжения батареи. Таким образом, устройство можно использовать, как только к нему будет подключен адаптер. Возможность раздельного подключения поддерживает ряд устройств компании Texas Instruments (TI), например, BQ25060.
Ускоренный заряд. В связи с тем, что ток системы и зарядный ток программируются отдельно, полную мощность адаптера можно использовать независимо от емкости аккумулятора и зарядного тока. В традиционных схемах, когда присутствует нагрузка со стороны системы, эффективный ток заряда снижается. Например, имея адаптер 900 мА и аккумулятор 500 мАч, можно запрограммировать зарядный ток на 500 мА. При нагрузке на систему 200 мА эффективный ток заряда будет всего 300 мА, что почти в два раза увеличит время заряда. Если при тех же условиях применить раздельное подключение, предельный входной ток можно запрограммировать до 900 мА. Это позволит использовать все 500 мА для заряда и до 400 мА – на дополнительную нагрузку системы.
Мониторинг NTC-термисторов
Очень важно следить за температурой батареи во время заряда, чтобы предотвратить ее повреждение или даже взрыв. Обычно это делается путем мониторинга NTC-термистора, встроенного в аккумулятор или находящегося недалеко от него на системной плате. Во многих зарядных устройствах эта функция встроена в ИС. Такие ИС контролируют температуру и отключают зарядный ток, когда значение температуры аккумулятора превышает безопасное.
Японская ассоциация электроники и информационных технологий (Japan Electronics and Information Technology Industries Association – JEITA) приняла новый стандарт для заряда аккумуляторов. В нем приводятся некоторые промежуточные температуры, при которых напряжение или ток заряда уменьшаются для обеспечения безопасной эксплуатации. Этот стандарт реализуется во многих зарядных ИС. Например, в системах, где NTC-термистор контролируется хост-процессором, можно изменять параметры зарядки (ток и напряжение) в зависимости от температуры элемента батареи. Такой метод обеспечивает гибкость установки необходимых порогов температуры для разных платформ и аккумуляторов без внесения аппаратных изменений.
Следуя рекомендациям, приведенным в статье, можно избежать различных трудностей и ошибок при разработке устройств для заряда аккумуляторов.
Литература
IC Package Thermal Metrics (SPRA953A). Application note. – Texas Instruments, January 26, 2007.
Some tips for charging from USB sources. – EE Times, January 25, 2010.
Datasheets for the bq24030 and bq2407x – www.ti.com
Для безопасного заряда и продления срока службы Li-Ion-аккумуляторов нужно использовать специальный цикл заряда (рис.1). Аккумулятор заряжается в два этапа: от постоянного тока (CC) и постоянного напряжения (CV). В CC-режиме ток может иметь одно из двух значений. При очень низком напряжении в аккумуляторе для того, чтобы сохранить элемент батареи и избежать его повреждения, зарядный ток понижается до предварительного уровня. Эта пороговая величина тока зависит от типа химического элемента и обычно определяется производителем. После того как напряжение в элементе превысит предварительный зарядный уровень, сила тока повышается для ускорения заряда. Максимальная сила тока для быстрого заряда составляет 1С (где С – ток, необходимый для разряда батареи за 1 ч), но ее точное значение также определяется производителем. Обычно для максимизации жизненного цикла элемента батареи применяется ток ~0,8С. При заряде аккумулятора растет и напряжение. Как только оно достигнет определенного уровня (обычно 4,2 В), зарядный ток понижается, а напряжение поддерживается постоянным. В этом режиме сила тока снижается по мере заряда аккумулятора, и сопротивление батареи уменьшается. При уменьшении силы тока до определенной величины (обычно это 10% от силы тока для быстрого заряда) процесс заряда прекращается.
Линейные и импульсные зарядные устройства
Для понижения напряжения адаптера до напряжения элемента батареи и управления различными стадиями процесса заряда есть два типа устройств: линейные регуляторы и импульсные стабилизаторы. Рассмотрим их преимущества и недостатки.
Импульсные стабилизаторы обычно обеспечивают максимальный КПД. В их цепях используются такие элементы, как ключ, выпрямитель, дроссель, входные и выходные конденсаторы. Для многих приложений размер зарядного устройства может быть уменьшен, если выбрать ИС, объединяющую ключ и выпрямитель в одном чипе. КПД таких цепей обычно варьируется от 80 до 96% в зависимости от нагрузки. Вместе с тем, импульсные стабилизаторы имеют и недостатки: занимают больше места на плате из-за размеров дросселя и, как правило, обходятся дороже, а также создают электромагнитные помехи от дросселя и шумы на выходе от переключений.
Линейные регуляторы понижают напряжение постоянного тока падением входного напряжения на проходном элементе. Их преимущество в том, что необходимы всего три модуля: проходной элемент и конденсаторы на входе и выходе. Зарядный ток регулируется изменением сопротивления проходного элемента. Устройства на базе линейных регуляторов напряжения, как правило, дешевле и производят меньше шума. Входной ток в линейных регуляторах равен току нагрузки – это означает, что их КПД равен отношению входного и выходного напряжений. Отсюда и недостаток линейных регуляторов – низкий КПД при больших различиях входного и выходного напряжений (например, при разряженном аккумуляторе). Вся мощность в этом случае рассеивается на проходном элементе. Поэтому линейный регулятор – это не идеальное решение для приложений с высоким током заряда, где разница между вводом и выводом велика. Здесь требуется теплоотвод, что увеличивает размеры устройства.
Увеличение температуры из-за рассеивания мощности может быть рассчитано с использованием теплового сопротивления. Оно различно для каждого устройства и зависит от таких параметров, как разводка платы, поток воздуха, корпус ИС и др. Тепловое сопротивление для платы конечного продукта должно быть смоделировано с учетом всех перечисленных факторов. Нужно иметь в виду, что значение теплового сопротивления, указываемое в спецификации ИС, не дает точного реального значения этой величины [1].
Какое устройство следует применить?
Первый параметр, который необходимо рассмотреть, – это ток заряда. Для небольших приложений, таких как Bluetooth-гарнитуры, где ток заряда – от 25 до 150 мА, лучшим решением почти всегда является линейное зарядное устройство. Эти приложения, как правило, очень компактны, и в них нет места для крупных компонентов стабилизатора. Кроме того, из-за низкой потребляемой мощности нагрев от ее рассеивания незначителен. Для мобильных телефонов ток заряда, как правило, находится в диапазоне 350–700 мА и здесь во многих случаях линейное зарядное устройство по-прежнему вполне пригодно. А с учетом себестоимости этих, обычно недорогих, телефонов такое решение идеально.
Для смартфонов, в которых размер батареи увеличивается и ток заряда может быть больше 1,5 А, предпочтительны импульсные зарядные устройства. При силе тока 1,5 А потери тепла могут быть довольно высокими. Например, при заряде батареи 3,6 В от 5-В адаптера с линейным зарядным устройством эффективность составляет 72%. На первый взгляд, не так уж и плохо. Но в этом случае рассеиваемая мощность будет составлять около 2 Вт, что при тепловом сопротивлении 40°C/Вт даст повышение температуры ядра на 80°С. При окружающей температуре в 40°C системная плата может нагреваться до 120°C, а это неприемлемо для портативных устройств. Импульсные зарядные устройства при тех же условиях дают повышение эффективности примерно до 85%. Для батареи 3,6 В рассеиваемая мощность составляет менее 1 Вт, что приводит к повышению температуры на 40°C. Такое улучшение еще более значительно для батареи 3 В. При 80%-ной эффективности на выходе рассеиваемая мощность при напряжении на батарее 3 В составит менее 800 мВт, и повышение температуры будет еще меньше (около 32°C). Размеры смартфонов вполне позволяют использовать зарядные устройства на базе импульсных стабилизаторов.
Выбор наилучшей ИС
После того, как завершен предварительный анализ тепловых характеристик и выбран тип зарядного устройства, можно выбирать лучшие ИС для конкретного приложения. Новые решения для зарядных устройств имеют множество функций, которые можно использовать для улучшения системы. Это, например, защита от перенапряжения на входе, раздельное подключение аккумулятора и систем заряжаемого устройства, терморегуляция, мониторинг терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC-термисторов) и заряд через USB-интерфейс. Рассмотрим эти функции подробнее.
Входная защита от перенапряжения
Сегодня заряд через USB стал необходимостью, поскольку это наиболее распространенный интерфейс для периферийных устройств. При этом вместо двойного входа (для питания через специальный адаптер переменного тока и передачи данных через разъем USB) стали использовать один USB-порт. Это создало много проблем для интерфейса. При огромном количестве различных адаптеров на рынке универсальный разъем на входе должен выдерживать без повреждений гораздо более высокое напряжение. Поскольку зарядное устройство всегда подключено к входу, то имеет смысл сделать так, чтобы оно могло защищать от перенапряжения все, что к нему подсоединено. Для этого существует много устройств, выдерживающих напряжение 20 или даже 30 В. Кроме того, они имеют схему защиты от перенапряжения, которая запрещает эксплуатацию, если напряжение на входе выше определенного порога. Это еще больше защищает подключенные цепи от возможных перенапряжений при переходных ситуациях.
Для заряда через USB-порты многие зарядные ИС содержат ограничители тока до значений 100 и 500 мА. Это гарантия того, что превышений ограничения по току во всех последующих цепях системы не возникнет [2].
Раздельное подключение
Традиционный подход к заряду аккумуляторов состоит в том, чтобы подключить зарядное устройство к аккумулятору, а уже через него запитать остальную часть системы (рис.2). Но такой способ порождает ряд проблем: невозможность работы системы при низком уровне заряда батареи, длительное время заряда и др. Раздельное подключение аккумулятора и системы (рис.3) устраняет эти проблемы [3].
Минимальное напряжение системы. При традиционном подходе напряжение системы всегда совпадает с напряжением в аккумуляторе. В результате система не начнет работать, пока батарея не зарядится до нужного уровня. При раздельном подключении напряжение системы регулируется отдельно от напряжения батареи. Это означает, что система может работать вне зависимости от уровня напряжения батареи. Таким образом, устройство можно использовать, как только к нему будет подключен адаптер. Возможность раздельного подключения поддерживает ряд устройств компании Texas Instruments (TI), например, BQ25060.
Ускоренный заряд. В связи с тем, что ток системы и зарядный ток программируются отдельно, полную мощность адаптера можно использовать независимо от емкости аккумулятора и зарядного тока. В традиционных схемах, когда присутствует нагрузка со стороны системы, эффективный ток заряда снижается. Например, имея адаптер 900 мА и аккумулятор 500 мАч, можно запрограммировать зарядный ток на 500 мА. При нагрузке на систему 200 мА эффективный ток заряда будет всего 300 мА, что почти в два раза увеличит время заряда. Если при тех же условиях применить раздельное подключение, предельный входной ток можно запрограммировать до 900 мА. Это позволит использовать все 500 мА для заряда и до 400 мА – на дополнительную нагрузку системы.
Мониторинг NTC-термисторов
Очень важно следить за температурой батареи во время заряда, чтобы предотвратить ее повреждение или даже взрыв. Обычно это делается путем мониторинга NTC-термистора, встроенного в аккумулятор или находящегося недалеко от него на системной плате. Во многих зарядных устройствах эта функция встроена в ИС. Такие ИС контролируют температуру и отключают зарядный ток, когда значение температуры аккумулятора превышает безопасное.
Японская ассоциация электроники и информационных технологий (Japan Electronics and Information Technology Industries Association – JEITA) приняла новый стандарт для заряда аккумуляторов. В нем приводятся некоторые промежуточные температуры, при которых напряжение или ток заряда уменьшаются для обеспечения безопасной эксплуатации. Этот стандарт реализуется во многих зарядных ИС. Например, в системах, где NTC-термистор контролируется хост-процессором, можно изменять параметры зарядки (ток и напряжение) в зависимости от температуры элемента батареи. Такой метод обеспечивает гибкость установки необходимых порогов температуры для разных платформ и аккумуляторов без внесения аппаратных изменений.
Следуя рекомендациям, приведенным в статье, можно избежать различных трудностей и ошибок при разработке устройств для заряда аккумуляторов.
Литература
IC Package Thermal Metrics (SPRA953A). Application note. – Texas Instruments, January 26, 2007.
Some tips for charging from USB sources. – EE Times, January 25, 2010.
Datasheets for the bq24030 and bq2407x – www.ti.com
Отзывы читателей
