Динамичното разпределение на мощността в схемите за зареждане стана лесно

Оферта от

Актуални статии от "Основи на аналоговите технологии"

схемите

Текущи статии от „Съвети за аналогови схеми“

Актуални статии от "Приложения"

Актуални статии от "Analog Power"

Актуални статии от "Симулатори на вериги"

Актуални статии от "Аналогови компоненти"

Основи Динамичното разпределение на мощността във веригите за зареждане стана лесно

Оптималното разпределение на мощността в преносимите устройства, работещи с батерии, поставя реални предизвикателства пред разработчиците на системи. Ще ви покажем как тази задача може лесно да бъде изпълнена с помощта на силно интегриран блок за управление на мощността.

В преносимите устройства вътрешният IC за зареждане обикновено контролира зареждането на батерията. С литиево-йонна батерия първо подава постоянен ток и след това постоянно напрежение. Днес тези интегрални схеми обикновено използват оптимизирани процедури за зареждане и по този начин реализират динамично разпределение на мощността.

В миналото разпределението на захранването в устройства, работещи с батерии, се прилага по различни начини. С най-ефективната структура получавате най-доброто потребителско изживяване с максимална защита на батерията.

Тази статия описва как работи оптималното разпределение на мощността и показва как процесът може да бъде реализиран в силно интегриран блок за управление на мощността (PMU, блок за управление на захранването). С него можете да решите захранването и зареждането на батерията в устройства като четци на електронни книги, таблети и медийни плейъри по икономичен начин.

Основни изисквания за верига за зареждане

Зареждането на акумулаторна батерия първоначално е просто: когато въпросното устройство е свързано към USB порт или захранващ блок, процесът на зареждане започва. Когато е включено, устройството обикновено се събужда, след това черпи енергия от външния източник и по този начин захранва системата и вътрешната верига за зареждане.

Захранването на системата не се взема от батерията, която се зарежда, а директно от източника на захранване. Това поддържа броя на циклите на зареждане нисък, тъй като всеки процес на зареждане и разреждане изтощава живота на батерията. С броя на циклите на зареждане и разреждане всяка литиево-йонна батерия става все по-слаба и по-слаба и в крайна сметка се проваля. Ако избягвате ненужната консумация на енергия от батерията, като захранвате системата, без батерията да е включена, когато има външен източник на захранване, това удължава живота на батерията.

Устройството се захранва независимо от батерията

Друго предимство на това разпределение на мощността е, че устройството се захранва независимо от батерията. Устройството се стартира незабавно, дори и с празна батерия, без потребителят да трябва да чака, докато батерията натрупа напрежение.

В най-простия случай диодът отделя батерията от захранването на системата, друг диод захранва системата около батерията (фиг. 1). Двата диода заедно образуват логично ИЛИ. Това означава, че системата се стартира незабавно, когато е свързана към външно захранване, докато батерията се зарежда и може да натрупа напрежение. Тази проста схема обаче има различни недостатъци. Най-големият недостатък е спадът на напрежението на диодите на Шотки, особен недостатък е загубата на мощност през D2, която се случва при работа на батерията. В този случай D2 ще загуби заряда на батерията.

Захранване за устройството и за зареждане на батерията

Втори, по-малко очевиден недостатък е, че веригата за зареждане зарежда батерията, без да се взема предвид, че самото устройство иска да се захранва с енергия. Ако веригата е свързана към нормален USB порт, който може да достави само 500 mA ток, веригата за зареждане може да използва целия ток за себе си и да не остави нищо за системата. Още по-лошо, веригата за зареждане може да иска да изтегли повече от 500 mA ток от USB порта и по този начин да наруши спецификацията на USB.

MOSFET замества двата диода

Замяната на диодите на фигура 1 с MOSFET (M1 на фигура 2) е стъпка в правилната посока. В този случай MOSFET осигурява връзка с ниско съпротивление между батерията и свързаното устройство, което позволява както батерията да се зарежда, така и устройството да се включва незабавно, когато източникът на напрежение бъде отстранен.

Ако системата се нуждае от повече мощност, отколкото източникът може да достави, батерията може да подаде разликата чрез PowerPath FET. Сега, когато D1 вече не е наличен, зареждащата интегрална схема може да осигури текущо ограничение вътрешно и по този начин да предотврати претоварването на USB порта.

Втори проблем остава нерешен: текущото ограничение предотвратява претоварването на USB порта, но не разпределя тока между системата и батерията. Потребителят обикновено иска пълната производителност на системата и ще приеме удължено време за зареждане, вместо да приеме, че системата му не получава достатъчно мощност, за да зареди батерията възможно най-бързо.

За да се реши този проблем, човек се нуждае от динамично разпределение на мощността, което контролира зарядния ток по такъв начин, че да се вземат предвид производителността на източника и изискванията за мощност на свързаната система. Целта е да се постигне пълна производителност на системата с външно захранване с минимално използване на батерията през това време.

Външен и вътрешен MOSFET в пътя на батерията

Схемата на фигура 3 работи както с външен, така и с вътрешен MOSFET в пътя на батерията. Тази структура предлага динамично разпределение на мощността.

Външният MOSFET не е задължителен: Приложения с високи изисквания за мощност (където трябва да се разсейва много топлина) се възползват от външен превключващ елемент. Когато веригата за зареждане е изключена, батерията захранва свързаното устройство напълно сама.

Предрегулатор захранва веригата за зареждане и системата

Фигура 4 показва как веригата за зареждане и системата се захранват чрез предварително регулиране, когато са свързани към външен източник на енергия. Може да се конфигурира както изходното напрежение, така и максималният ток.

Ако изискването за мощност на системата се увеличи, зареждащият ток пада автоматично, така че максималният ток, зададен в предрегулатора, да не бъде превишен, като по този начин се постига динамично разпределение на мощността.

Когато батерията е напълно заредена, системата се захранва напълно чрез първичния регулатор

Когато батерията е напълно заредена, превключвателят за батерията се отваря на фигура 5. Системата вече се захранва изцяло чрез първичния регулатор, така че от батерията не се изтегля ток, което удължава нейния експлоатационен живот. Ако изискването за захранване на системата (червено) надвишава зададения максимален ток на външния източник, батерията може да захранва (жълто) и чрез PowerPath FETs („превключвател на батерията + идеален диод“ на фигура 5). Ако се достигне програмираният максимален ток, VSUP_CHG потъва минимално под напрежението на батерията, така че токът да може да тече от батерията в системата. Максималният ток на външния източник на енергия не е превишен, така че източникът на енергия не е претоварен.

Интегриране на динамичен контрол на тока в PMU

В преносимата потребителска електроника, като таблетите, пространството е абсолютно дефицитно. Следователно захранването за такива устройства обикновено се изгражда с интегрална схема за управление на захранването (PMIC), която комбинира необходимите преобразуватели на постояннотоково напрежение в една интегрална схема.

За да се опрости дизайнът на захранването и да се спести място, би било желателно веригата за зареждане да бъде интегрирана в този PMIC. Но къде е динамичното управление на тока, както е описано по-горе?

Динамичен контрол на тока с PMIC

Фигура 7 показва оптималната настройка за внедряване на динамичен контрол на мощността с AS3711, PMIC от ams за преносими устройства като мултимедийни плейъри и таблети. AS3711 има два преобразувателя 1 A buck, преобразувател 1,5 A buck, преобразувател 3 A buck, осем LDO, два усилвателни преобразувателя и превключвател за зареждане 1,5 A - всичко в пакет 7 mm x 7 mm.

Регулатор на зареждане, базиран на превключващ регулатор, зарежда батерията по-ефективно от линейната схема за зареждане, която обикновено се използва. Следователно той се нуждае от по-малко енергия, така че повече от захранващия ток остава за свързаната система (която се доставя от VSUP). По-високата ефективност на превключващия регулатор също намалява разсейването на топлинната мощност по време на зареждане на батерията. AS3711 предлага и защита от пренапрежение до 30 V и ограничител на тока предрегулатор, който може да бъде програмиран на 16 различни токови стойности между 0,1 и 2,5 А. Напрежението на релсата VSUP_CHG също може да бъде конфигурирано.

PMIC с интегрирана схема за зареждане спестява място и разходи

Ако използвате PMIC с интегрирана схема за зареждане, спестявате място и разходи за отделен IC за зареждане. Освен това, всички напрежения и пълният процес на зареждане могат да бъдат настроени и наблюдавани само с един набор от регистри. Веригата за зареждане на PMIC и другите функционални блокове могат да бъдат конфигурирани изключително лесно чрез графичния потребителски интерфейс на AS3711 (вижте фигура 8). Можете да програмирате всички функционални блокове от фигура 7 чрез този GUI, като по този начин можете да конфигурирате поточно зареждане, зареждане с постоянен ток, зареждане с постоянно напрежение, време, изчакване, контрол на температурата, ограничение на тока и откриване на външно пренапрежение. Също така има избор между линейно и превключено зареждане на батерията.

Основни предимства на използването на PMIC

Тази статия показа, че динамичното управление на захранването пести енергия от батерията и осигурява оптимална производителност на системата, когато устройството е свързано към външно захранване.

Все още можете да използвате батерията като допълнителен източник на захранване, ако системата се нуждае от повече енергия, отколкото външният източник може да достави. По този начин захранващият блок може да бъде направен по-малък, което спестява разходи. Просто трябва да може да покрие зареждането на батерията, но не и пиковото търсене на системата едновременно.

Потребителите на най-новите PMIC за преносими устройства имат всички тези предимства, ако внедрят структурата, както е показано по-горе, използвайки примера на AS3711. Тази интегрална схема предлага ефективно средство за динамично адаптиране на зарядния ток към текущите изисквания на системата.

Изпълнението на динамичен контрол на тока чрез PMIC също има следните предимства:

  • Спестяване на място, защото е запазена външна IC за зареждане,
  • лесно управление на всички напрежения чрез софтуер, включително напрежението на зареждане,
  • Опростен контрол на тока чрез PMIC, който следи входното напрежение, напрежението на батерията, захранващото напрежение на системата и всички други напрежения и генерира и автоматично обработва интелигентни прекъсвания на системата.