Trh s nabíjecími bateriemi pro spotřební elektroniku vyzrál – navrhnout nabíječku pro takovéto články si již žádá jen o něco málo větší úsilí než prosté zapojení k tomuto účelu speciálně vyvinutého integrovaného obvodu přímo do daného návrhu. Důvod je přitom prostý: baterie se ve spotřební elektronice drží „otřepaných“ standardů spolu s obecně rozšířenými konfiguracemi, plovoucími napětími, nabíjecími proudy, výstupními napětími a také nabíjecími algoritmy. I tak se ale stále častěji setkáváme s požadavky na baterie, které do těchto tradičních forem jaksi nezapadají. Spousta takových požadavků je přitom hnána kupředu nejrůznějšími zelenými iniciativami ve spojitosti s obecným přechodem směrem k přenosným zařízením, používaným v medicíně i dalších specifických odvětvích.
Nabíječky v podobě jednoúčelových integrovaných obvodů zkrátka a jednoduše nemohou udržet krok se současnou explozí různorodých aplikací. Rozrůstající se paleta bateriově napájených sestav bude dosti široká – od kilowattových vysokozdvižných vozíků, provozovaných ve vnitřních prostorách, a oddělené lékařské elektroniky až po nízkopříkonová průmyslová čidla, získávající potřebnou energii sběrem z okolního prostředí. Řada aplikací navíc přichází s jedinečnými požadavky na optimální řešení úložiště energie, které s využitím současných integrovaných nabíječek zkrátka nelze naplnit.
Neexistuje zde například žádný speciální integrovaný obvod, který by mohl nabíjet bateriové články s plovoucím napětím 30 V a více, dodávat přitom proud o velikosti 10 A a ještě k tomu všemu podporovat účinný přenos energie s využitím známých topologií typu buck-boost, boost či flyback. Ve výsledku se tak vývojáři musí prodírat poměrně těžkopádnými postupy s využitím diskrétních součástek, takže se v podstatě vracíme zpět do jakési prehistorické doby temna bez integrovaných obvodů. Třebaže řešení z jednotlivých prvků pomůže vyřešit celou řadu požadavků na odpovídající nabíjení, nelze zde hovořit o jednoduchém nasazení a také kompaktnosti speciálních integrovaných obvodů. Vývojář si totiž žádá řešení, které neztratí nic z pověstné jednoduchosti jednoúčelového integrovaného obvodu pro nabíjení a ještě k tomu nabídne všestrannost designu, založeného na diskrétních prvcích.
Obr. 1: Nabíječka se zvyšujícím měničem pro pětici Li-ion článků (6 V až 21 V, 5 A)
Integrované provedení nabíječky baterií od Linearu s označením LTC4000 vyplňuje mezeru mezi aplikacemi, ve kterých lze jednoduše a s výhodou nasadit speciální integrované obvody, a těmi, které by si jinak vyžádaly komplikovaná řešení z jednotlivých součástí. LTC4000 si ponechává jednoduchost vyhrazené nabíječky s jediným integrovaným obvodem, přičemž k naplnění požadavku na mnohostrannou použitelnost jinak diskrétního přístupu využívá model, složený celkem ze dvou integrovaných obvodů.
Lze jej spárovat s jakoukoli topologií DC / DC či AC / DC měniče, včetně běžně používaných buck, boost, buck-boost, SEPIC a flyback, však nejen těchto. Široký rozsah vstupního napětí obvodu LTC4000 od 3 V až do 60 V, spolu s prakticky neomezenou proudovou zatížitelností, pak znamená maximálně účinné řešení plnohodnotné nabíječky baterií špičkových parametrů, které se nebude bát poměřit své síly s výkonností jednoúčelových integrovaných nabíječek. Typickou aplikaci, LTC4000 spojený s obvodem LTC3786 pro vytvoření 5 A nabíječky pětice článků typu Li-ion, vidíme na obr. 1.
LTC4000 v osmi bodech
Integrovaný obvod LTC4000 pomůže s přeměnou prakticky jakéhokoli napájecího zdroje DC / DC s vnější kompenzací od Linear Technology na nabíječku baterií s těmito základními vlastnostmi:
-
široký rozsah vstupního a výstupního napětí 3 V až 60 V - plovoucí napětí baterie, definice rezistorem, přesnost ±0,25 %
- pinově volitelný timer nebo proudové zakončení
- nabíjení zohledňující teplotu s využitím NTC termistoru
- automatické dobití (recharge)
- šetrné nabíjení hluboce vybitých článků (C/10, tzv. režim trickle)
- detekce špatné baterie, výstupy s indikací stavu
- precizní snímání proudu umožňuje pracovat s malými úbytky napětí v aplikacích s vysokými odběry
Struktury LTC4000 rovněž nabídnou důmyslné řízení PowerPath™ s využitím nízkoztrátových vnějších PFETů. Jeden takový externí PFET zabraňuje zpětnému toku proudu z baterie či výstupu systému zpátky na vstup. Další PFET slouží k řízení nabíjení a také vybíjení připojené baterie. Nízkoztrátová „přirozenost“ těchto tranzistorů bude hrát klíčovou roli v systémech, vyžadujících vysoké hladiny nabíjecího proudu pro články s vysokou kapacitou. Zmíněný druhý PFET rovněž usnadňuje tzv. instant-on, kdy zajišťuje okamžité napájení připojeného systému a to i v případě hluboce vybité baterie či jejího náhlého poškození.
Řízení ve stylu PowerPath zajišťuje jako první napájení systémové zátěže. Bude – li vstupní výkon nedostatečný, zůstane připojená zátěž pokaždé zvýhodněna právě na úkor nabíjení. Vyžádá – li si navíc připojená zátěž více energie než může vstup nabídnout, dodá další výkon baterie. LTC4000 dostaneme v nízkoprofilových pouzdrech typu QFN s 28 vývody a o rozměrech 4 mm x 5 mm, příp. též jako SSOP.
Obr. 2: Zjednodušený blokový diagram jádra obvodu LTC4000 – čtyři zesilovače odchylky se sloučeným výstupem
LTC4000 jako čtyři řídicí smyčky: uregulováno a dobito
V samotném jádru obvodu LTC4000 se nachází čtyři interní zesilovače odchylky, jejichž výstupy se následně slučují, aby tak mohly řídit vnější DC / DC měnič v jeho smyčce. Díky tomu lze kontrolovat téměř jakékoli nabíjecí cykly, bez ohledu na chemické složení článků či plovoucí napětí. Obr. 2 zachycuje zjednodušený blokový diagram čtveřice vnitřních zesilovačů odchylky A4 – A7. Každý ze čtyřech vstupních transkonduktančních zesilovačů zodpovídá za jinou regulační smyčku, tj.
- vstupní proud,
- nabíjecí proud,
- plovoucí napětí baterie a také
- výstupní napětí.
Výstupní transkonduktanční zesilovač A10 zase zajistí, že smyčka, vyžadující nejnižší napětí pro regulaci na pinu ITH, řídí připojený DC / DC měnič. Regulační smyčka vstupního proudu (na obr. 2 se jedná o A4), zabraňuje vstupnímu proudu v překročení jeho limitu, definovaného rezistorem. Omezení vstupního proudu tak chrání celý systém před přetížením zdroje, zatímco umožňuje předvídatelnější a zároveň též spolehlivější chování systému. Kromě toho vnáší dodatečnou ochrannou vrstvu, prodlužující životnost výkonových prvků DC / DC měniče, resp. jakýchkoli zdrojů, postrádajících nadproudovou ochranu.
Další proudovou smyčkou se stává regulační smyčka nabíjecího proudu A5, která řídí fázi konstantního proudu nabíjecího cyklu – nabíjecí proud, snímaný prostřednictvím příslušného rezistoru, tak nepřekročí plnou úroveň, definovanou rezistorem. Regulační smyčka konstantního proudu řídí nabíjení až do okamžiku, kdy napětí na baterii dosáhne své float úrovně. V tomto bodě se dostává ke slovu regulační smyčka napětí baterie A6, dodávaný proud začíná klesat a nabíječka vstupuje do fáze nabíjecího cyklu s konstantním napětím.
Obr. 3: Fáze nabíjení pro tři sériově spojené články LiFePO4 – viz obr. 1
Plovoucí napětí definujeme zpětnovazebním odporovým děličem mezi piny BAT a FBG. Vývod FBG zároveň odpojuje zátěž v podobě odporového děliče po dobu nepřítomnosti VIN. Zajistí se tak, že odporovým děličem plovoucího napětí neprotéká proud z baterie, připojené k pinu BAT, bude – li nabíjecí článek v dané chvíli jediným dostupným zdrojem napájení. Pro VIN ≥ 3,0 V bude typický odpor mezi FBG a GND činit 100 Ω.
Nedochází – li k nabíjení baterie ani k dodávce energie do zátěže, bude vnější PFET, připojený k baterii, vypnut (viz obr. 4). V takovémto scénáři bude řídit externí DC / DC měnič regulační smyčka výstupního napětí (na obr. 2 se jedná o A7). Regulační smyčka výstupního napětí se přitom podobá regulační smyčce napětí baterie. Smyčka reguluje napětí na pinu CSP, zatímco vychází ze zpětnovazebního odporového děliče mezi vývody CSP a FBG. Zmíněná regulace výstupního napětí je důležitá při zajišťování setrvání výstupního napětí systému v odpovídajících mezích, bude – li baterie odpojena od zátěže.
Obr. 4: Vstupní ideální dioda a PowerPath kontrolér baterie
PowerPath a jeho místo na slunci
Další důležitou vlastností obvodu LTC4000 se stává řízení PowerPath, zahrnující dvě funkce:
- řízení vstupní ideální diody, zajišťující nízkoztrátový ideální přechod mezi DC / DC měničem a výstupem, a také
- PowerPath řízení baterie, podporující inteligentní trasu mezi výstupem systému a baterií.
Vstupní ideální dioda nabídne minimum ztrát na přechodu mezi výstupem DC / DC měniče (pin IID – anoda) směrem k výstupu systému (pin CSP – katoda). Právě velikost ztrát hraje významnou úlohu v otázce dosahované účinnosti a také při teplotním managementu pro případ vysokých proudových odběrů. Zmíněný blok zároveň brání zpětnému toku proudu ze systémového výstupu směrem k DC / DC měniči. Takovéto reverzní proudy stojí za zbytečným zatěžováním baterie a v některých případech mohou dokonce vyústit v nežádoucí chování připojeného DC / DC měniče. Požadovaného průběhu zde dosahujeme řízením vnějšího PFETu M1, jehož hradlo připojíme k vývodu IGATE (obr. 4).
Podobně se bude PowerPath kontrolér vnějšího PFETu, připojeného k pinu BGATE, podobat prvně zmíněnému bloku, buzenému z vývodu IGATE. Neprobíhá – li právě nabíjení, chová se připojený PMOS jako ideální dioda, situovaná mezi vývodem BAT (anoda) a CSN (katoda). Podstata ideální diody umožňuje baterii dodávat proud do systémové zátěže, bude – li výstup DC / DC měniče stižen proudovým omezením, přip. měnič nebude schopen pro svou pomalost dostatečně rychle reagovat na nenadálé navýšení výstupní zátěže. Ve výsledku tak zajišťujeme stabilitu výstupního napětí.
Kromě toho všeho umožňujeme proudu díky BGATE téci během procesu nabíjení od pinu CSN směrem k pinu BAT. Protéká – li proud od pinu CSN směrem k BAT, hovoříme o dvou oblastech provozu. První nastává v případě nabíjení hluboce vybité baterie, tzn. napětí baterie bude pod prahem INSTANT ON, VBAT(INST ON). Kontrolér A11 z obr. 4 pak reguluje napětí na výstupu systému na přibližně 86 % výsledné úrovně plovoucího napětí. Zajistíme tím výrazně větší výstupní napětí oproti napětí baterie, nabíjíme – li hluboce vybitou baterii. Tento prvek, označovaný jako INSTANT ON, umožňuje obvodu LTC4000 zajistit dostatečné napětí na systémovém výstupu, nezávisle na napětí baterie.
Druhá provozní oblast přichází na scénu tehdy, bude – li zpětnovazební napětí baterie větší nebo rovno prahu INSTANT ON. Tehdy bude na vývodu BGATE úroveň, umožňující PMOSu úplné otevření a tudíž i snížení jakékoli výkonové ztráty z titulu nabíjecího proudu.
Dokončení příště.
- Univerzální nabíječka pojmenována, popsána, navržena – 2. díl (vyd. 8. 8. 2012)
