Jste zde

Precizní 20 A zdroje pro bezpečné nabíjení superkapacit či Li-Ion článků

Jan Robenek, 10. Prosinec 2010 - 0:00

Celá řada aplikací vyžaduje napájecí zdroj, který by přesně reguloval výstupní napětí a se stejnou precizností zároveň omezoval proudy, tekoucí do zátěže. Vývojáři však musí běžně činit určité kompromisy a obětovat přesnost jednoho prvku za vyhovující charakteristiky toho druhého – vybírají totiž mezi vysokou přesností napěťového regulátoru s vysokým ziskem spolu s hrubým proudovým omezením či precizní regulací proudu s ne zcela přesným vymezením napětí. Stojí však za zmínku, že pro tyto účely lze využít několik řešení, které vhodně naplní obě podmínky a ještě k tomu vystačí s jediným integrovaným obvodem. Jedno z nich popsal Josh Caldwell (Linear Technology) v říjnovém vydání LT Journal of Analog Innovation. Článek, jehož českou verzi Vám nyní přinášíme, nazval Accurate Constant-Current, Constant-Voltage 20A Power Supply Ensures Safe Charging of Supercaps and Li-Ion Batteries.

Celá řada aplikací vyžaduje napájecí zdroj, který by přesně reguloval výstupní napětí a se stejnou precizností zároveň omezoval proudy, tekoucí do zátěže. Vývojáři však musí běžně činit určité kompromisy a obětovat přesnost jednoho prvku za vyhovující charakteristiky toho druhého – vybírají totiž mezi vysokou přesností napěťového regulátoru s vysokým ziskem spolu s hrubým proudovým omezením či precizní regulací proudu s ne zcela přesným vymezením napětí. Stojí však za zmínku, že pro tyto účely lze využít několik řešení, které vhodně naplní obě podmínky a ještě k tomu vystačí s jediným integrovaným obvodem. Tak například polovodičová struktura

  • LT3741

zjednodušuje návrh CC / CV regulátorů (tj. s konstantním proudem, Constant Current a konstantním napětím, Constant Voltage) díky sloučení možností přesné proudové a také přesné napěťové regulace do jediného provedení integrovaného obvodu, čímž prakticky vylučuje jinak kompromisní přístupy v otázce návrhu napájecích systémů. Pod označením LT3741 hledejme synchronní, snižující DC/DC kontrolér, navržený k regulaci výstupních proudů až do 20 A a výstupních napětí až do 34 V, přičemž přesnost regulace proudu dosahuje ±6 % a přesnost, definovaná pro napětí, pak ±1,5 %. Díky řídicí architektuře s režimem Average Current Mode pak můžeme v případě struktury LT3741 dosahovat takřka ideálního průběhu v otázce regulace konstantního napětí a také konstantního proudu. Na obr. 1 názorně vidíme bezproblémový a rovněž mimořádně ostrý přechod mezi napěťovou a proudovou smyčkou.

Obr. 1: Vout vs Iout pro 200 W snižující měnič (10 V/20 A) s definovaným konstantním proudem / konstantním napětím

Jedinečná topologie LT3741 zároveň podporuje jak odtok (Sink) tak i samotný zdroj proudu (Source). Přesného řízení proudu, tekoucího zátěží, zase dosahujeme díky analogovým řídicím pinům CTRL1 a CTRL2. Spínací kmitočet lze nastavit v rozsahu od 200 kHz až do 1 MHz, resp. synchronizovat s vnějším taktem v rozmezí od 300 kHz až do 1 MHz.

Nabíječka jednoho lithium – iontového článku s podporou 10 A nabíjecích proudů

Bezpečnostní zájmy spolu s teplotním omezením při nabíjení lithium – iontových článků se podepsaly pod to, že konkrétní nabíječka bude muset zvládnout pečlivé řízení nabíjecích proudů včetně souvisejících napětí. V ideálním případě může mikrokontrolér „přiškrtit“ nabíjecí proud během počáteční a závěrečné fáze nabíjení. V praxi to pak bude znamenat nasazení proudové regulace s precizně stavitelným řízením proudu, teplotním omezením a přesnou limitací napětí.

Obr. 2: 10 A nabíječka jednoho lithium – iontového článku

Obvod LT3741 všechny tyto požadavky s přehledem splňuje. Na obr. 2 jsme zachytili daný čip s konfigurací pro nabíjení lithium – iontového článku, přičemž limitní (max.) velikost proudu zde činí 10 A a napěťový limit pak 4,2 V. Nabíjecí proud není závislý na výstupním napětí, takže se nechá prostřednictvím CTRL1 přizpůsobit až na 0 A. Napěťový dělič z Vref na CTRL2 pak využíváme k řízení teplotního limitu prostřednictvím tepelně závislého rezistoru. Spolehlivost a také bezpečnost celého systému při nabíjení baterie konstantním proudem až do bodu napěťové regulace zajišťuje ostrý přechod mezi proudovým a napěťovým řízením. Účinnost pro toto řešení dosahuje přibližně 93 %.

Odlehčení zatěžovacího proudu z titulu teploty

Náležité řešení teplotního managementu je nezbytné pro každý výkonový regulátor, kde chrání zátěž a snižuje riziko poškození celého systému. V případě LT3741 máme k dispozici pin CTRL2, určený k omezení regulovaného proudu, protékajícího indukčností. Pokaždé, kdy se na CTRL2 vyskytne nižší potenciál, než je analogové řídicí napětí na pinu CTRL1, dojde k omezení velikosti regulovaného proudu. Tepelné odlehčení nastavujeme teplotně závislým odporovým děličem, zapojeným mezi Vref a zem.

Nabíječka pro superkapacitory

Superkapacitory nahrazujeme olověné akumulátory v celé řadě aplikací, od napájecích článků pro bezdrátové nástroje s rychlým nabíjením až po krátkodobé záložní zdroje pro mikroprocesory, např. v automobilovém průmyslu apod. Přestože každá z těchto aplikací těží z odlišných výhod, plynoucích z nasazení superkapacitorů, všechny budou vyžadovat pečlivé řízení nabíjecího proudu včetně napěťové limitace k zabránění poškození celého systému nebo zničení supercapu. Musíme zde tedy bez ohledu na výstupní napětí zajistit přesně regulovaný proudový zdroj, zatímco garantujeme stejně přesný napěťový limit a předcházíme tak přebíjení.

Obr. 3: 20 A nabíječka pro superkapacitory s regulovaným výstupem 5 V

Na obr. 3 vidíme 20 A nabíječku superkapacitorů s regulovaným výstupním napětím 5 V. Díky zapracování zesilovače odchylky se širokým vstupním souhlasným rozsahem pro regulaci proudu může struktura LT3741 nabídnout přesně vymezené nabíjecí proudy v rámci širokého rozsahu výstupních napětí, včetně zkratu na výstupu. Takové vlastnosti oceníme zejména v případě prevence nadměrných tepelných ztrát, resp. limitace nabíjecího proudu pro zcela vybité superkapacitory. Na obr. 4 jsme zase pro tuto nabíječku vynesli závislost výstupního napětí na zatěžovacím proudu – LT3741 zde udržuje proudovou regulaci i v případě prakticky zkratovaného výstupu.

Obr. 4: Výstupní napětí vs zatěžovací proud pro nabíječku superkapacitorů s výstupními parametry 5 V / 20 A

Obr. 5: 20 A nabíječka superkapacitorů, její účinnost a výkonové ztráty vs zatěžovací proud

Solidní budiče hradla a LDO s vysokou zatížitelností

Moderní spínací Power MOSFETy s vysokou proudovou zatížitelností vykáží největší účinnost, budeme – li je budit z driverů s malým vlastním odporem, čímž omezíme přechodové ztráty. V případě LT3741 máme k dispozici velmi silné prvky – budiče hradla. Odpor v sepnutém stavu pro PMOSový pull – up driver (LG a HG) činí typ. 2,3 Ω. Odpor v sepnutém stavu pro NMOSové pull – down drivery (LG a HG) zase dosahuje typ. méně než 1,3 Ω. Zatímco s budiči hradla snižujeme ztráty, můžeme díky struktuře LT3741 rovněž budit dva MOSFETy s vysokou proudovou zatížitelností souběžně, což oceníme v případě, kdy zatěžovací proudy překračují 20 A. Obvody LT3741 v této věci využívají interní, nízkoúbytkový napěťový stabilizátor 5 V s vysokou zatížitelností, se kterým dodávají budičům hradla až 50 mA.

100 W snižující měnič (20 V/5 A) s konstantním proudem / konstantním napětím

Obvod LT3741 můžeme také využít jako univerzální napájecí zdroj všude tam, kde požadujeme přesné omezení výstupního proudu. Na obr. 6 vidíme 500 kHz, 100 W CC / CV měnič, vyrábějící 20 V/5 A. Řízení v režimu středního proudu udržuje celou strukturu stabilní a umožňuje tak pohotově vyhovět jakýmkoli požadavkům na výstupní napětí či proud. Na pozici přídavné ochrany pak ještě využijeme zapojení souhlasného zámku, se kterým bráníme výstupu v překročení vstupního souhlasného rozsahu zesilovače odchylky ve smyčce proudového řízení.

Obr. 6: 100 W (20 V/5 A) snižující měnič s CC / CV

Kompaktní řešení

Integrovaný obvod LT3741 je dostupný v rámci 20vývodového pouzdra typu TSSOP se speciální zemní ploškou či 20vývodového pouzdra typu QFN se stejnou ploškou a rozměry 4 mm x 4 mm. Máme tedy v rukou ucelené a zároveň nekompromisní řešení napájecích zdrojů, které zabere pouhých 1,5 in2. Součástka byla navržena speciálně pro použití s malými indukčnostmi a jejich velkými saturačními proudy, takže můžeme dále snižovat zastavěnou plochu včetně její výšky. Na obr. 7 proto vidíme demonstrační zapojení, generující CC / CV výstup 6 V/20 A. Jednotlivé prvky tohoto speciálního řešení mají standardní rozměry, takže není problém s jejich náhradou pro případ definice jiného omezení výstupního proudu či regulovaného napětí.

Obr. 7: Demonstrační board (DC1602A) – vysoký výkon, konstantní proud, konstantní napětí

Závěr:

Obvod LT3741 nabízí přesnou, proudovou i napěťovou regulaci pro CC a CV aplikace s prakticky ideálním průběhem příslušných V-A charakteristik. Spojení smyčky proudového řízení s velkým ziskem a smyčky napěťového řízení, rovněž s velkým zesílením, zmírňuje požadavky na tolerance dalších součástek napájecího zdroje, čímž snižuje výslednou cenu, složitost a také rozměry celého řešení. Řízení v režimu středního proudu následně podporuje nasazení levných indukčností s malými hodnotami a velkými saturačními proudy pro další zmenšování koncových rozměrů plošného spoje.

Jednoduše řečeno, s obvodem LT3741 dostáváme do rukou mnohostranně použitelné řešení napájecího zdroje, které neopomíjí ani současné požadavky na nabíjení baterií či superkapacitorů včetně systémových náležitostí pro zajištění vysoké přesnosti proudového omezení včetně regulace napětí.

Obr. 8: Blokový diagram LT3741 (pouzdro QFN) - kliknutím zvětšíte

Použitá literatura:

Download a odkazy:

 

Hodnocení článku: 

Související články