Segmenty nositelné a osobní elektroniky rostou rychlým tempem. Zařízení se přitom výrazně liší podle toho, k čemu slouží. Většina zařízení z kategorie wearables a body electronics má uživatelům pomáhat v denních aktivitách a přinášet komfort. Podle toho se liší velikostí, tvarem, materiálem i požadavky na bezpečnost. Jedno mají tato zařízení společné -potřebují baterie a nabíječky. Tato přenosná zařízení jsou většinou napájena interní, pevně instalovanou baterií, která musí být pravidelně nabíjena a to rychle a efektivně. Pro uživatele to přitom musí být bezpečné, komfortní a jednoduché.

Tento článek přináší porovnání mezi lineárním a spínaným zdrojem pro nabíjení. Každá z těchto topologií má svá pro a proti. Proto si ukážeme, jak obě varianty plní požadavky nositelné elektroniky a to od tepelného výkonu po cenu. Detailně se budeme věnovat potřebnému prostoru, výhodám a vlastnostem, potřebným součástkám i době nabíjení. Na jednom místě tak bude možné porovnat obě varianty konstrukce a jejich plnění jednotlivých kritérií.

Úvod do nabíjení baterií

Obvody pro nabíjení baterií lze jednoduše rozdělit do dvou základních topologií. Lineární a spínané. Obě varianty mají své klady a zápory. Spínané zdroje používají dva výkonové FET tranzistory pro řízení proudu, procházejícího cívkou, jeden pro kladné, druhý pro záporné napětí. Ve srovnání s lineárním zdrojem je toto zapojení složitější, potřebuje větší prostor a také více součástek, včetně přidané cívky a kondenzátorů. Na druhé straně toto zapojení přináší vyšší efektivitu nabíjení i lepší teplotní charakteristiku. Spínaný zdroj je lepší volbou všude tam, kde jsou požadovány vyšší nabíjecí proudy. Navíc tato topologie poskytuje větší flexibilitu a možnosti nastavení.

Lineární zdroj využívá jednodušší zapojení, kdy tranzistor snižuje napájecí napětí na napětí baterie. Takový zdroj je jednodušší, zabírá menší prostor a potřebuje méně součástek. K jeho doplnění stačí několik kondenzátorů a rezistorů. Není zde potřeba cívka ani výkonový rezistor. Účinnost a tepelné vlastnosti jsou ve srovnání se spínaným zdrojem v podmínkách vyšších proudů horší. Svoje místo tak mají zejména v aplikacích s nízkou spotřebou, kde hlavní roli hrají rozměr, cena materiálu a výsledná cena.

Jak ukazuje schema lineárního zdroje, články baterie jsou napojeny na stejné  výstupní napětí jako zařízení. Takto otevřená cesta přináší jednoduchost a nižší cenu, ale má své limity v podobě trvalého nabíjení a možných chyb ve stavu hluboce vybité baterie.

Teplotní charakteristika

Většina zařízení wearables a body electronics je stavěna pro přímý styk s lidskou pokožkou. Například chytré hodinky se při nošení přímo dotýkají rukou, lékařská zařízení mohou být ve styku i s citlivějšími částmi těla. Na vyzařované teplo je proto nutné hledět jako na věc, která snižuje komfort, pokud překročí přijatelnou mez. Proto je potřeba teploty propočítat nejen pro režim běžného použití, ale také pro nošení bezprostředně po nabíjení. Tepelná ztráta nabíjení by proto měla být co nejmenší.

Nárůst teploty nabíjecího obvodu se projeví na celé desce plošného spoje. Jak je vidět z obrázků, účinnost a roztptyl energie je lepší u spínaného zdroje, zatímco u lineárního zdroje velmi závisí na rozdílu vstupního a výstupního napětí a procházejícím proudu. Výkonové ztráty lineárního zdroje výrazně klesají s proudy pod 300mA. Na obrázku jsou porovnány obě topologie při nabíjecím proudu 300mA, napětí baterie 4V a vstupním napětí z adaptéru 5V.Rozdíl teplot obou topologií je pouze 1°C.

V tomto případě je teplotní rozdíl obou zdrojů zanedbatelný, ale s růstem výkonu se bohužel zvyšuje, takže spínaný zdroj je potom lepší volbou. Důležité je připomenout, že tepelný výkon zdrojů je závislý na mnoha dalších faktorech, jako na pouzdrech součástek, ale také na provedení PCB včetně šířky vodivých ploch, počtu vrstev, prokovů, tloušťce vrstev, atd. Například QFN pouzdro IO má lepší tepelnou charakteristiku než WCSP, vícevrstvý plošný spoj má lepší rozptyl. Na termosnímku lineárního zdroje je dobře vidět, že teplo je rovnoměrně rozptýleno po celé desce. Taková konstrukce PCB pomáhá odvodu tepla z IO a snižuje špičkovou teplotu celého zařízení.

Prostor a počet součástek

Potřebný prostor pro nabíjecí obvod je jedním z klíčových bodů zadání, protože nositelná elektronika je z principu miniaturní. Zde získává body jednodušší lineární zdroj, který nepotřebuje cívku ani další pomocné obvody okolo. Graf ukazuje porovnání rozpočtu součástek pro lineární a pro spínaný zdroj s minimálními počty cívek, kondenzátorů, rezistorů a IO pro obě topologie. Ve většině kategorií má lineární zdroj výrazně menší počet součástek. Je potřeba připomenout, že konstrukce spínaných zdrojů za posledních pár let výrazně pokročila a počet potřebných součástek rapidně klesl.

Menší počet součástek u lineárního zdroje samozřejmě šetří místo. Každá pasivní součástka, která nemusí být použita, se počítá. Na obrázku je dobře vidět, že nejvíce prostoru zabírá cívka u spínaného zdroje. U aplikací s nízkou spotřebou se tak výrazně lépe hodí lineární zdroj.

Mnozí výrobci, a Texas Instruments mezi ně patří, vyvíjí nové obvody pro nabíjení, které zmenšují nároky na prostor a počet součástek. Například obvod bq24250 je vysoce integrovaný obvod pro spínané zdroje, využívající jednočlánkovou Li-Ion baterii, který nabíjení doplňuje o potřebné řídící funkce.

Elektromagnetická interference

Nejjednodušším prvkem EMI je elektromagnetická vlna, skládající se z elektrické a magnetické vlny, probíhající kolmo na sebe. Hlavním zdrojem je rychlá změna proudu, protékajícího smyčkou. Proud, protékající smyčkou generuje magnetické pole, které je závislé na velikosti smyčky. Smyčka může být v tomto případě definována i jako trasa na desce plošného spoje x vzdálenost mezi ní a zemnící vrstvou. Protože ve spínaném zdroji dochází k rychlým změnám proudu v MOSFETech, změny napětí generují elektrické pole. Dalším zdrojem vyzařování je šum spínaného výstupu. Šum se obvykle projevuje jako harmonická frekvence spínacího cyklu.

EMI se může projevit jako elektrický šum na desce plošnoho spoje, který ovšem není omezen jen částí nabíjecího zdroje. Je nutné vzít v úvahu, že jak kapacitní, tak induktivní  rušení snadno přechází mezi paralelními trasami PCB i na velmi krátkém souběhu, takže rušení se může šířit a způsobovat další problémy na desce. Pro zamezení rušení může být použita řada technik: krytí, oddělení plošného spoje nebo změna spínací frekvence. To ale znamená nárůst potřebného prostoru. Pro aplikace, kde je potřeba EMI zcela vyloučit, jsou lepší volbou lineární zdroje.

Flexibilita návrhu

Současné požadavky nutí vývojáře, aby byli schopni využít stejný čip pro různé produkty nebo jejich následné generace. To šetří peníze i čas potřebný na vývoj, i omezuje rizika spojená s využitím nevyzkoušených technologií. Proto existují skupiny nabíjecích obvodů, které mají stejné funkce, ale rozdílné parametry pro různé aplikace. Společným jmenovatelem je rozhraní I2C, které umožňuje naprogramovat parametry nabíjení, jako je nabíjecí proud, proudové limity, regulace napětí.

Spínané zdroje jsou známé právě širkovými možnostmi nastavení. Dřívějším verzím lineárních zdrojů chyběla flexibilita, kterou dnes doplňují externí obvody. Dobrým příkladem jsou obvody TI bq24072 a bq24232, které umožňují nastavit režimy rychlého nabíjení, přednabíjecí proud, proudový limit, bezpečnostní časovač nebo úroveň závěrného proudu. Mají také různá regulační napětí a výkonové úrovně. Tato flexibilita něco stojí a to jak ze strany počtu a ceny součástek, tak ze strany potřebného místa.

Doba nabíjení

Nabíjecí cyklus Li-Ion baterie je třífázový: přednabití, rychlé nabíjení konstantním proudem a následné nabíjení konstantním napětím. Přechod mezi těmito fázemi některé nabíjecí zdroje zvládají s obtížemi. Nabíjecí obvody TI s těmito přechody počítají a umožňují zkrátit celkový čas nabíjení a zlepšit jeho průběh. Spínané zdroje umožňují rychlé nabíjení i při velkém rozdílu vstupního a výstupního napětí, protože mají relativně menší tepelné ztráty. Lineární zdroje jsou lepší v případě, kdy jsou nižší vstupní napětí a rozdíl vstupního a výstupního napětí není velký. Pro rychlejší nabíjení jsou vhodnější spínané zdroje, protože mají nižší vyzařování tepla při vyšších výkonech.

Závěrem lze konstatovat, že pro wearables a body electronics, jako aplikace s nízkým příkonem jsou vhodné oba typy zdrojů, spínané i lineární. Lineární zdroje jsou menší, jednodušší, levnější a nehrozí u nich elektromagnetické rušení.  Spínané zdroje zase poskytují vyšší výkon, tepelné parametry, více funkcí a variabilitu vstupního napětí. Pro každý návrh tedy jde najít klady a zápory a zvolit kompromis, který odpovídá požadavkům zařízení.