Könnyűvé vált a dinamikus áramelosztás a töltőáramkörökben
Ajánlat a következőtől:
Aktuális cikkek az "Analóg technológia alapjai" c.
Az "Analóg áramköri tippek" aktuális cikkei
Az "Alkalmazások" aktuális cikkei
Az "Analog Power" aktuális cikkei
A "Circuit Simulators" aktuális cikkei
Aktuális cikkek az "Analog Components" cikkből
Alapok Dinamikus áramelosztás a töltőáramkörökben megkönnyítve
Az akkumulátorral működő hordozható eszközök optimális áramelosztása valódi kihívásokat jelent a rendszerfejlesztők számára. Megmutatjuk, hogyan lehet ezt a feladatot könnyen végrehajtani egy nagymértékben integrált teljesítményszabályozó egység használatával.
Hordozható eszközökben általában egy belső töltő IC vezérli az akkumulátor töltését. Lítium-ion akkumulátorral először állandó áramot, majd állandó feszültséget szolgáltat. Ma ezek az IC-k általában optimalizált töltési rutinokat használnak, és ezáltal dinamikus energiaelosztást valósítanak meg.
A múltban az akkumulátorral működtetett eszközök áramellátását különböző módon hajtották végre. A leghatékonyabb felépítéssel a legjobb felhasználói élményt nyújtja az akkumulátor maximális védelme mellett.
Ez a cikk leírja, hogyan működik az optimális energiaelosztás, és bemutatja, hogy a folyamat miként valósítható meg egy nagymértékben integrált teljesítményszabályozó egységben (PMU, Power Management Unit). Ezzel helytakarékos módon megoldhatja az áramellátást és az akkumulátor töltését olyan eszközökben, mint e-könyv olvasók, táblagépek és médialejátszók.
A töltőáramkör alapvető követelményei
Az akkumulátor töltése kezdetben egyszerű: amikor a kérdéses eszközt USB-portra vagy tápegységhez csatlakoztatják, megkezdődik a töltési folyamat. Bekötéskor a készülék általában felébred, majd áramot merít a külső forrásból, és így táplálja a rendszert és a belső töltőáramkört.
A rendszer táplálásához szükséges energiát nem a töltendő akkumulátor veszi, hanem közvetlenül az áramforrásból. Ez alacsonyan tartja a töltési ciklusok számát, mivel minden töltési és lemerítési folyamat lemeríti az akkumulátor élettartamát. A töltési és kisütési ciklusok számával minden lítium-ion akkumulátor egyre gyengébb lesz, és végül meghibásodik. Ha elkerüli az akkumulátor felesleges energiafogyasztását a rendszer táplálásával anélkül, hogy az akkumulátort külső áramforrás jelenlétében érintenék, ez meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát.
A készülék áramellátása az akkumulátortól függetlenül történik
Ennek az áramelosztásnak további előnye, hogy a készülék az akkumulátortól függetlenül működik. A készülék még üres akkumulátorral is azonnal elindul, anélkül, hogy a felhasználónak meg kellene várnia, amíg az akkumulátor felépíti a feszültséget.
A legegyszerűbb esetben egy dióda választja el az akkumulátort a rendszer tápellátásától, egy másik dióda látja el a rendszert az akkumulátor körül (1. ábra). A két dióda együtt logikai VAGY-t alkot. A rendszer azonnal elindul, amikor külső tápegységhez csatlakozik, miközben az akkumulátort töltik, és fel tud építeni feszültséget. Ennek az egyszerű áramkörnek azonban számos hátránya van. A legnagyobb hátrány a feszültségesés a Schottky diódákon, külön hátrány az energiaveszteség a D2-n keresztül, amely az akkumulátor működése során következik be. Ebben az esetben a D2 elveszíti az akkumulátort.
A készülék áramellátása és az akkumulátor töltése
Második, kevésbé nyilvánvaló hátránya, hogy a töltőáramkör az akkumulátort úgy tölti fel, hogy nem veszi figyelembe, hogy maga az eszköz is energiát akar kapni. Ha az áramkör egy normál USB porthoz csatlakozik, amely csak 500 mA áramot képes leadni, a töltőáramkör az egész áramot felhasználhatja magának, és nem maradhat semmi a rendszernek. Még rosszabb, hogy a töltőáramkör 500 mA-nél nagyobb áramot szeretne elvinni az USB-portról, és ezzel megsértheti az USB-specifikációt.
A két diódát egy MOSFET váltja fel
Az 1. ábrán látható diódák MOSFET-re cserélése (M1 a 2. ábrán) egy lépés a helyes irányba. Ebben az esetben a MOSFET alacsony ellenállású kapcsolatot biztosít az akkumulátor és a csatlakoztatott eszköz között, amely lehetővé teszi az akkumulátor töltését és a készülék azonnali bekapcsolását a feszültségforrás eltávolításakor.
Ha a rendszernek nagyobb energiára van szüksége, mint amennyit az áramforrás képes biztosítani, az akkumulátor a különbséget a PowerPath FET-en keresztül képes ellátni. Most, hogy a D1 már nem elérhető, a töltő IC belső áramkorlátot tud biztosítani, és így megakadályozhatja az USB-port túlterhelését.
A második probléma megoldatlan marad: az áramkorlátozás megakadályozza az USB-port túlterhelését, de nem osztja el az áramot a rendszer és az akkumulátor között. A felhasználó általában a teljes rendszer teljesítményét akarja, és hosszabb töltési időt fogad el, ahelyett, hogy elfogadná, hogy a rendszer nem kap elég energiát az akkumulátor mielőbbi feltöltéséhez.
A probléma megoldásához dinamikus áramelosztásra van szükség, amely úgy vezérli a töltőáramot, hogy figyelembe vegyék a forrás teljesítményét és a csatlakoztatott rendszer teljesítményigényét. A cél egy teljes tápellátás elérése egy külső tápegységgel, az akkumulátor minimális igénybevétele mellett ez idő alatt.
Külső és belső MOSFET az akkumulátor útjában
A 3. ábrán látható áramkör egy külső és egy belső MOSFET-mel is működik az akkumulátor útjában. Ez a szerkezet dinamikus energiaelosztást kínál.
A külső MOSFET opcionális: A nagy energiaigényű alkalmazások (ahol sok hőt kell elvezetni) előnyösek egy külső kapcsolóelem számára. Ha a töltőáramkör ki van kapcsolva, az akkumulátor teljes egészében ellátja a csatlakoztatott eszközt.
Az előszabályozó biztosítja a töltőáramkört és a rendszert
A 4. ábra bemutatja, hogy a töltőáramkör és a rendszer hogyan táplálható előszabályozón keresztül, ha külső áramforráshoz csatlakozik. A kimeneti feszültség és a maximális áram is konfigurálható.
Ha a rendszer teljesítményigénye növekszik, a töltési áram automatikusan csökken, így az előszabályozóban beállított maximális áram nem lépi túl, így dinamikus teljesítményeloszlás érhető el.
Amikor az akkumulátor teljesen fel van töltve, a rendszert az elsődleges szabályozón keresztül teljes mértékben ellátják
Amikor az akkumulátor teljesen fel van töltve, az akkumulátor kapcsoló az 5. ábrán nyílik meg. A rendszer most már teljesen ellátva van az elsődleges szabályozón keresztül, így az akkumulátorból nem merül fel áram, ami meghosszabbítja annak élettartamát. Ha a rendszer áramigénye (piros) meghaladja a külső forrás beállított maximális áramát, akkor az akkumulátor áramot (sárga) is szállíthat a PowerPath FET-eken keresztül („akkumulátor kapcsoló + ideális dióda” az 5. ábrán). A programozott maximális áram elérésekor a VSUP_CHG minimálisan az akkumulátor feszültsége alá süllyed, hogy az áram az akkumulátorból a rendszerbe áramolhasson. A külső áramforrás maximális áramát nem lépik túl, így az áramforrás nincs túlterhelve.
Dinamikus áramszabályozás integrálása egy PMU-ba
A hordozható szórakoztató elektronikában, például a táblagépekben a hely teljesen hiányzik. Ezért az ilyen eszközök tápellátását általában egy Power Management IC-vel (PMIC) építik fel, amely a szükséges egyenfeszültség-átalakítókat egy IC-ben egyesíti.
Az áramellátás tervezésének egyszerűsítése és a helytakarékosság érdekében kívánatos lenne, hogy a töltőáramkör beépüljön ebbe a PMIC-be. De hol van a fent leírt dinamikus áramszabályozás?
Dinamikus áramszabályozás PMIC-vel
A 7. ábra mutatja az optimális beállítást egy dinamikus teljesítményszabályozás megvalósításához egy AS3711-mel, egy PMIC-től a hordozható eszközök, például a médialejátszók és a táblagépek számára. Az AS3711 két 1 A buck konvertert, egy 1,5 A buck konvertert, egy 3 A buck konvertert, nyolc LDO-t, két boost konvertert és egy 1,5 A kapcsolású töltésszabályozót tartalmaz - mindezt 7 mm x 7 csomagban mm.
A kapcsolószabályozón alapuló töltésszabályozó hatékonyabban tölti az akkumulátort, mint az általában használt lineáris töltőáramkör. Ezért kevesebb energiára van szüksége, így a tápfeszültség nagyobb része marad a csatlakoztatott rendszer számára (amelyet a VSUP szolgáltat). A kapcsolószabályozó nagyobb hatékonysága csökkenti az akkumulátor töltése alatti hőteljesítmény-veszteséget is. Az AS3711 emellett 30 V-ig terjedő túlfeszültség-védelmet és áramkorlátozó előszabályozót is programozhat 16 különböző áramértékre 0,1 és 2,5 A között. A VSUP_CHG sín feszültsége szintén konfigurálható.
Az integrált töltőáramkörrel rendelkező PMIC helyet és költségeket takarít meg
A PMIC használata integrált töltőáramkörrel helyet és költségeket takarít meg egy külön töltő IC számára. Ezenkívül az összes feszültség és a teljes töltési folyamat egyetlen regiszterkészlettel állítható be és figyelhető meg. A PMIC és a többi funkcióblokk töltőáramköre rendkívül könnyen konfigurálható az AS3711 grafikus felhasználói felületén keresztül (lásd 8. ábra). Ezen a grafikus felhasználói felületen keresztül programozhatja a 7. ábra összes funkcióblokkját, így konfigurálható a csepegtető töltés, az állandó áramú töltés, az állandó feszültségű töltés, az idő, az időkorlát, a hőmérséklet-figyelés, az áramkorlátozás és a külső túlfeszültség észlelése. Választani lehet lineáris és kapcsolt akkumulátor-töltés között is.
A PMIC használatának alapvető előnyei
Ez a cikk megmutatta, hogy a dinamikus energiaszabályozás kíméli az akkumulátor energiáját és biztosítja az optimális rendszer teljesítményét, ha az eszközt külső tápegységhez csatlakoztatják.
Akkor is használhatja az akkumulátort további áramforrásként, ha a rendszernek nagyobb energiára van szüksége, mint amennyit a külső forrás képes ellátni. Ez azt jelenti, hogy egy tápegységet kisebbre lehet méretezni, ami költségeket takarít meg. Csak az akkumulátor töltöttségét kell fedeznie, de a rendszer csúcsigényét egyszerre nem.
A hordozható eszközök legfrissebb PMIC-jeinek felhasználói mindezen előnyökkel rendelkeznek, ha a fentiekben bemutatott struktúrát az AS3711 példáján keresztül valósítják meg. Ez az IC hatékony eszközt kínál a töltőáram dinamikus hozzáigazításához a rendszer jelenlegi követelményeihez.
A dinamikus áramszabályozás PMIC-n keresztül történő megvalósításának a következő előnyei is vannak:
- Helymegtakarítás, mivel külső töltő IC mentésre kerül,
- az összes feszültség egyszerű vezérlése szoftveren keresztül, beleértve a töltési feszültséget is,
- Egyszerűsített áramszabályozás a PMIC-en keresztül, amely figyeli a bemeneti feszültséget, az akkumulátor feszültségét, a rendszer tápfeszültségét és az összes többi feszültséget, valamint generálja és automatikusan kezeli az intelligens rendszermegszakításokat.