Jednoduché dynamické rozloženie výkonu v nabíjacích obvodoch

Ponuka od

Aktuálne články z "Základy analógových technológií"

Aktuálne články z "Tipy na analógové okruhy"

Aktuálne články z „Aplikácií“

Aktuálne články z „Analog Power“

Aktuálne články z „Circuit Simulator“

Aktuálne články z "Analog Components"

Základy Jednoduché dynamické rozloženie výkonu v nabíjacích obvodoch

Optimálne rozdelenie energie v prenosných zariadeniach napájaných z batérie predstavuje pre vývojárov systémov skutočné výzvy. Ukážeme vám, ako je možné túto úlohu ľahko dosiahnuť pomocou vysoko integrovanej jednotky riadenia výkonu.

V prenosných zariadeniach interné nabíjanie IC zvyčajne riadi nabíjanie batérie. S lítium-iónovou batériou dodáva najskôr konštantný prúd a potom konštantné napätie. Dnes tieto integrované obvody zvyčajne používajú optimalizované nabíjacie postupy a tým implementujú dynamické rozloženie výkonu.

V minulosti sa distribúcia energie v zariadeniach napájaných z batérií realizovala rôznymi spôsobmi. Vďaka najefektívnejšej štruktúre získate najlepšiu používateľskú skúsenosť s maximálnou ochranou batérie.

Tento článok popisuje, ako funguje optimálne rozloženie výkonu, a ukazuje, ako je možné proces implementovať vo vysoko integrovanej jednotke riadenia výkonu (PMU, jednotka správy napájania). S ním môžete šetriť miesto a vyriešiť tak napájanie a nabíjanie batérie v zariadeniach, ako sú čítačky elektronických kníh, tablety a prehrávače médií.

Základné požiadavky na nabíjací obvod

Nabíjanie nabíjateľnej batérie je spočiatku jednoduché: keď je príslušné zariadenie pripojené k portu USB alebo k zdroju napájania, začne proces nabíjania. Po pripojení sa zariadenie zvyčajne prebudí, potom čerpá energiu z externého zdroja a napája tak systém a interný nabíjací obvod.

Napájanie systému sa neberie z nabíjanej batérie, ale priamo zo zdroja napájania. Tým sa udržiava nízky počet nabíjacích cyklov, pretože každý proces nabíjania a vybíjania predlžuje životnosť batérie. S počtom cyklov nabíjania a vybíjania je každá lítium-iónová batéria čoraz slabšia a nakoniec zlyháva. Ak sa vyhnete zbytočnej spotrebe energie z batérie napájaním systému bez zapojenia batérie, keď je k dispozícii externý zdroj napájania, predĺži sa životnosť batérie.

Prístroj je napájaný energiou nezávisle od batérie

Ďalšou výhodou tohto rozloženia energie je, že zariadenie je napájané nezávisle od batérie. Prístroj sa spustí okamžite, aj keď je batéria prázdna, bez toho, aby používateľ musel čakať, kým batéria nenaplní napätie.

V najjednoduchšom prípade dióda oddeľuje batériu od napájania systému, iná dióda napája systém okolo batérie (obr. 1). Dve diódy spolu tvoria logické ALEBO. Systém sa spustí okamžite po pripojení k externému zdroju napájania, zatiaľ čo sa batéria nabíja a môže zvyšovať napätie. Tento jednoduchý obvod má však rôzne nevýhody. Najväčšou nevýhodou je pokles napätia na Schottkyho diódach, zvláštnou nevýhodou je strata výkonu na D2, ku ktorej dochádza pri prevádzke na batériu. V takom prípade D2 stratí energiu batérie.

Napájanie prístroja a nabíjanie batérie

Druhou, menej zjavnou nevýhodou, je to, že nabíjací obvod nabíja batériu bez toho, aby sa zohľadnilo, že samotné zariadenie chce byť napájané. Ak je obvod pripojený k normálnemu USB portu, ktorý dokáže dodať iba 500 mA prúdu, môže nabíjací obvod využiť všetok prúd sám pre seba a systému nezostane nič. Horšie však je, že nabíjací obvod môže chcieť odoberať viac ako 500 mA prúdu z USB portu, a tým porušovať USB špecifikáciu.

MOSFET nahrádza dve diódy

Výmena diód na obrázku 1 za MOSFET (M1 na obrázku 2) je krok správnym smerom. V takom prípade MOSFET zaisťuje nízkoodporové spojenie medzi batériou a pripojeným zariadením, ktoré umožňuje nabíjanie batérie aj okamžité zapnutie zariadenia po odpojení zdroja napätia.

Ak systém potrebuje viac energie, ako môže poskytnúť zdroj napájania, môže batéria dodávať rozdiel cez PowerPath FET. Teraz, keď D1 už nie je k dispozícii, môže nabíjací integrovaný obvod poskytovať interné obmedzenie prúdu a zabrániť tak preťaženiu USB portu.

Druhý problém zostáva nevyriešený: súčasné obmedzenie zabraňuje preťaženiu portu USB, nerozdeľuje však prúd medzi systém a batériu. Používateľ bude zvyčajne chcieť plný výkon systému a namiesto predĺženia doby nabíjania akceptuje, že systém nemá dostatok energie na čo najrýchlejšie nabitie batérie.

Na riešenie tohto problému je potrebné dynamické rozloženie výkonu, ktoré riadi nabíjací prúd takým spôsobom, aby sa zohľadnil výkon zdroja a energetické požiadavky pripojeného systému. Cieľom je dosiahnuť plný výkon systému s externým zdrojom napájania s minimálnym využitím batérie počas tejto doby.

Externý a interný MOSFET v ceste batérie

Obvod na obrázku 3 pracuje s externým aj interným MOSFETom v ceste batérie. Táto štruktúra ponúka dynamické rozloženie výkonu.

Externý MOSFET je voliteľný: Aplikácie s vysokými požiadavkami na napájanie (kde je potrebné odvádzať veľké množstvo tepla) profitujú z externého spínacieho prvku. Ak je nabíjací obvod vypnutý, batéria napája pripojené zariadenie úplne sama.

Predregulátor dodáva nabíjací obvod a systém

Obrázok 4 ukazuje, ako sú nabíjací obvod a systém napájané cez predregulátor, keď sú pripojené k externému zdroju napájania. Je možné nakonfigurovať jeho výstupné napätie aj maximálny prúd.

Ak sa zvýši požiadavka na napájanie systému, nabíjací prúd automaticky poklesne, aby nedošlo k prekročeniu maximálneho prúdu nastaveného v predregulátore, čím sa dosiahne dynamické rozdelenie výkonu.

Keď je batéria úplne nabitá, systém je úplne napájaný prostredníctvom primárneho regulátora

Keď je batéria úplne nabitá, prepínač batérie sa otvorí na obrázku 5. Systém je teraz úplne napájaný cez primárny regulátor, takže z batérie nie je odoberaný žiadny prúd, čo predlžuje jej životnosť. Ak požiadavka na prúd v systéme (červená) presahuje nastavený maximálny prúd externého zdroja, batéria môže dodávať prúd (žltý) aj cez FET PowerPath („spínač batérie + ideálna dióda“ na obrázku 5). Ak sa dosiahne naprogramovaný maximálny prúd, VSUP_CHG klesá minimálne pod napätie batérie, aby mohol prúdiť prúd z batérie do systému. Neprekročí sa maximálny prúd externého zdroja napájania, aby nedošlo k preťaženiu zdroja napájania.

Integrácia riadenia dynamického prúdu v PMU

V prenosnej spotrebnej elektronike, ako sú tablety, je priestoru absolútne nedostatok. Preto je napájanie týchto zariadení obvykle zostavené z integrovaného obvodu riadenia napájania (PMIC), ktorý kombinuje potrebné meniče jednosmerného napätia v jednom integrovanom obvode.

Pre zjednodušenie konštrukcie napájania a pre úsporu miesta je žiaduce, aby bol do tohto PMIC integrovaný nabíjací obvod. Ale kde je dynamické riadenie prúdu, ako je popísané vyššie?

Dynamické riadenie prúdu pomocou PMIC

Obrázok 7 zobrazuje optimálne nastavenie pre implementáciu dynamického riadenia napájania s AS3711, PMIC od spoločnosti ams pre prenosné zariadenia, ako sú prehrávače médií a tablety. AS3711 má dva 1 A buck prevodníky, 1,5 A buck prevodník, 3 A buck prevodník, osem LDO, dva zosilňovače a 1,5 A spínaný regulátor nabíjania - všetko v balení 7 mm x 7 mm.

Regulátor nabíjania založený na spínacom regulátore nabíja batériu efektívnejšie ako lineárny nabíjací obvod, ktorý sa zvyčajne používa. Potrebuje preto menej energie, aby pre pripojený systém (ktorý dodáva VSUP) zostal väčší prúd napájania. Vyššia účinnosť spínacieho regulátora tiež znižuje stratu tepelného výkonu počas nabíjania batérie. AS3711 tiež ponúka prepäťovú ochranu do 30 V a predregulátor obmedzujúci prúd, ktorý je možné naprogramovať na 16 rôznych prúdových hodnôt medzi 0,1 a 2,5 A. Môže sa tiež nakonfigurovať napätie na koľajnici VSUP_CHG.

PMIC s integrovaným nabíjacím obvodom šetrí miesto a náklady

Použitie PMIC s integrovaným nabíjacím obvodom šetrí miesto a náklady na samostatný nabíjací integrovaný obvod. Ďalej je možné nastaviť a monitorovať všetky napätia a celý proces nabíjania iba pomocou jednej sady registrov. Nabíjací obvod PMIC a ďalších funkčných blokov je možné konfigurovať veľmi ľahko pomocou grafického užívateľského rozhrania AS3711 (pozri obrázok 8). Pomocou tohto GUI môžete naprogramovať všetky funkčné bloky z obrázka 7, pomocou ktorých je možné nakonfigurovať udržovacie nabíjanie, nabíjanie konštantným prúdom, nabíjanie konštantným napätím, čas, časový limit, monitorovanie teploty, obmedzenie prúdu a detekciu externého prepätia. Na výber je tiež medzi lineárnym a spínaným nabíjaním batérie.

Základné výhody používania PMIC

Tento článok ukázal, že dynamické riadenie napájania šetrí energiu batérie a zaisťuje optimálny výkon systému, keď je zariadenie pripojené k externému zdroju napájania.

Batériu môžete stále používať ako ďalší zdroj energie, ak systém potrebuje viac energie, ako dokáže dodať externý zdroj. To znamená, že napájací zdroj je možné zmenšiť, čo šetrí náklady. Musí byť schopný pokryť iba nabitie batérie, nie však špičkovú potrebu systému súčasne.

Používatelia najnovších PMIC pre prenosné zariadenia majú všetky tieto výhody, ak implementujú štruktúru uvedenú vyššie na príklade AS3711. Tento integrovaný obvod ponúka účinné prostriedky na dynamické prispôsobenie nabíjacieho prúdu aktuálnym požiadavkám systému.

Implementácia dynamického riadenia prúdu prostredníctvom PMIC má tiež nasledujúce výhody:

Úspora miesta, pretože sa šetrí integrovaný obvod externého nabíjania,
ľahké ovládanie všetkých napätí pomocou softvéru vrátane nabíjacieho napätia,
Zjednodušené riadenie výkonu pomocou PMIC, ktorý monitoruje vstupné napätie, napätie batérie, napájacie napätie systému a všetky ostatné napätia a generuje a automaticky spracováva inteligentné prerušenia systému.