Možnosti obvodu LTC4000 jsou vskutku univerzální – lze jej párovat s DC / DC měničem a realizovat tak nabíječku baterií v jakékoli konfiguraci. Mnohostrannou využitelnost budeme ilustrovat na několika následujících aplikacích.

 

 

 

Vytvoření uceleného nabíjecího systému s obvodem LTC4000 a také souvisejícím DC / DC měničem bude stejně jednoduché jako nasazení speciálního integrovaného obvodu pro nabíjení. Na obr. 5 vidíme LTC4000 při řízení snižujícího měniče LT3845A v nabíječce, navržené pro skupinu baterií 3S LiFePO₄, kde označením 3S rozumíme trojici článků v sériové konfiguraci. Struktura snižujícího měniče LT3845A byla zvolena jednak pro svou jednoduchost a také kvůli relativně vysokému vstupnímu napětí 60 V.

 

Každý z článků typu LiFePO₄ vykáže typické plovoucí napětí o velikosti 3,6 V, což ve výsledku představuje celých 10,8 V. Celkovou úroveň 10,8 V zde nastavujeme rezistory R_BFB2 = 133 k a R_BFB1 = 1,13 M. Máme – li tedy zvolenu velikost plovoucího napětí, bude zároveň rozhodnuto o velikosti rezistorů R_OFB1 a R_OFB2, nastavujících výstupní napětí pro ukončení nabíjení. V našem případě zvolíme R_OFB2 = 127 k a R_OFB1 = 1,15M, takže na výstupu dostáváme 12 V.

 

 

Poté, co jsme definovali plovoucí a výstupní napětí, potřebujeme dále nastavit plný nabíjecí proud baterie. V našem konkrétním příkladu bude mít úroveň 10 A, takže použijeme R_CS o velikosti 5 mΩ a R_CL = 24,9 k. K dosažení nejvyšší možné míry přesnosti by mělo být snímané, regulované napětí na R_CS pokud možno co největší. V takovém případě se však na rezistoru bude neefektivně ztrácet mnohem více tepla. Vzhledem k tomu, že zesilovač odchylky pro regulaci nabíjecího proudu vykáže maximální reg. úroveň 1 V, bude velikost snímaného napětí na rezistoru R_CS omezena maximálně na 50 mV (= 1 V / 20). V případě nabíjecího proudu o velikosti 10 A proto budeme předpokládat maximální výkonovou ztrátu na snímacím rezistoru o velikosti 0,5 W.

 

Jakákoli velikost rezistoru R_CL nad 20 k nebude mít vliv na plnou úroveň nabíjecího proudu. Bude – li však menší než 200 k, postihne již regulovanou proudovou úroveň dobíjení v režimu Trickle. V našem konkrétním příkladu jsme zvolili velikost 24,9 k a definovali tak nabíjecí proud režimu Trickle na 1,25 A. Takovýto způsob dobíjení se může vyskytnout na počátku nabíjecího cyklu, bude – li napětí na baterii menší než 68 % napětí plovoucího. Jako velmi důležitý se jeví právě u lithium – iontových článků, vyžadujících menší proud (obvykle < 20 % plného nabíjecího proudu) k pozvolnému a také bezpečnému dosažení většího napětí na baterii a to ještě předtím, než začneme dodávat plnou velikost proudu.

 

Jedinou další regulační smyčkou s bodem nastavení se stává regulace vstupního proudu. S využitím obdobného přístupu jako v případě nastavení R_CS v tomto příkladu definujeme též R_IS o velikosti 5 mΩ, zatímco vývod IL necháme plavat (interně je vztažen k napětí nad 1 V), čímž nastavíme maximální limit vstupního proudu na 10 A.

 

K tomu, aby bylo možné s obvodem LTC4000 nabíjet celou řadu běžně používaných konfigurací baterií vystačíme při návrhu se čtyřmi jednoduchými kroky. Další přizpůsobení takového řešení si pak už jen vyžádá několik málo zbývajících hodnot součástek, díky nimž nadefinujeme algoritmus pro ukončení nabíjení.

 

Struktura LTC4000 nabídne jak ukončení prostřednictvím timeru tak i z titulu úrovně nabíjecího proudu. V případě zakončení prostřednictvím velikosti proudu dochází k završení procesu nabíjení, poklesne – li velikost nabíjecího proudu v režimu konstantního napětí na úroveň, definovanou prostřednictvím pinu CX. V případě zakončení timerem bude proces nabíjení pokračovat v režimu konstantního napětí dokud nevyprší perioda, nastavitelná kondenzátorem na pinu TMR. Naše konkrétní zapojení využívá právě zmíněný časovač s periodou 2,9 h – kondenzátor připojený k vývodu TMR tak bude mít kapacitu 0,1 µF. Rezistorem o velikosti 22,1 k, připojeným k pinu CX, nastavujeme hladinu nabíjecího proudu 1 A, při které stavový indikační pin (/CHRG) zaujme stav vysoké impedance high-Z.

 

Teplotně vymezené nabíjení s obvodem LTC4000 podporujeme pinem NTC. Rezistor se záporným teplotním koeficientem (NTC), teplotně provázaný s nabíjenou baterií, bude zapojen v síti odporového děliče mezi vývody BIAS, NTC a GND. NTC rezistor následně umožňuje pozastavit fázi nabíjení, dostane – li se teplota článků ven z vymezeného rozsahu. V našem příkladu je teplotní rozsah baterie nastaven mezi –1,5 °C a 41,5 °C. Právě zmíněný ochranný prvek následně chrání baterii před nebezpečnými situacemi při nabíjení – extrémním ohřátím nebo také ochlazením, které může články poškodit, příp. též zkrátit jejich životnost.

 

Z hlediska zákaznického přizpůsobení nám již zůstává pouze kompenzační síť v podobě sériového spojení rezistoru a kondenzátoru mezi vývody CC a ITH, stejně jako odporový dělič, přivedený k vývodu VM. Jako výchozí hodnoty kompenzační sítě lze nadefinovat odpor 10 k v sérii s kapacitou 100 nF. Další optimalizaci pak lze provádět na základě odezvy v časové oblasti na malé odchylky signálu pro každou ze čtveřice regulačních smyček. V našem příkladu byly nakonec zvoleny velikosti odporu a kapacity 14,7 k a 47 nF.

 

Pin VM zde slouží jako vstup komparátoru s prahovou úrovní nastavenou na 1,193 V. Bude – li napětí na tomto vývodu pod prahovou úrovní, zůstane pin /RST na nule, v opačném případě se přesune do stavu vysoké impedance. Propojíme – li pak vývod /RST s piny RUN či /SHDN DC / DC měniče, zajistí náš komparátor jednoduchý a zároveň dostatečně přesný signál podpěťového zámku UVLO (undervoltage lockout), který lze využít ke spouštění vnějšího konvertoru. V našem příkladu byla vstupní úroveň UVLO nastavena na 14,3 V. Právě nastavení minimálního napětí zajistí, že se vstup měniče bude nacházet v rámci svého provozního rozsahu a to ještě předtím, než dojde k jeho spuštění. Ve výsledku tak zajistíme stabilnější a také předvídatelnější spouštění celé nabíječky.

 

Řešení srovnatelné 10 A nabíječky tří článků typu LiFePO₄, realizované z diskrétních součástek, si vyžádá přinejmenším dva snímací zesilovače proudu na straně vyššího napětí (high side), čtveřici operačních zesilovačů nebo také dva kontroléry vysokonapěťové ideální diody. Každý ze zmiňovaných stavebních kamenů by přitom měl být samostatně otestován a prověřen tak, abychom zajistili vzájemnou kompatibilitu v otázce vykazovaných parametrů, např. souhlasného rozsahu, rychlosti či rozsahu vstupního napájecího napětí. A to jsme ještě vůbec nezmínili mikroprocesor, který by v případě řešení z diskrétních prvků zapracoval algoritmus celého nabíjení.

 

Jak jsme si však názorně ukázali na konkrétním příkladu, můžeme díky obvodu LTC4000 všechny samostatně vyjmenované prvky vyloučit, stejně jako potřebu jejich testování. Celý návrh se pak omezí zejména na volbu odpovídajícího DC / DC měniče s ohledem na napěťové a také výkonové požadavky, a něco málo pasivních prvků okolo – zpravidla rezistorů, definujících základní parametry nabíječky.

 

 

 

Na obr. 6 vidíme obvod LTC4000, propojený se strukturou LTC3805-5, realizující oddělenou 2 A nabíječku jednoho článku typu Li-ion. Tato aplikace názorně ukazuje silný potenciál obvodu LTC4000 při vytváření jedinečného řešení nabíječky s využitím běžně dostupných DC / DC měničů, pracujících prakticky v jakékoli topologii. Jednoduchý návrh s obvodem LTC4000 totiž vylučuje potřebu složitějšího návrhu z jednotlivých součástí.

 

 

Díky LTC4000 se tak úkol navrhnout izolovanou nabíječku omezí na výběr vhodného izolovaného měniče, PFETy a také stanovení hodnot některých rezistorů či kondenzátorů. V aplikaci, zachycené na obr. 6, použijeme oddělený měnič – Flyback LTC3805-5 s možností přivádět vysoká vstupní napětí. Protože se ale na sekundární straně pracuje s napětím jen do 6 V, vystačíme si při řízení PowerPath se dvěma PFETy s relativně nízkým napětím. Jediné specifikum tohoto konkrétního zapojení pak spočívá v nasazení optočlenu pro zajištění zpětnovazebního signálu ITH obvodu LTC4000 na sekundární straně směrem k vývodu ITH obvodu LTC3805-5 na straně primární.

 

Výsledná nabíječka pak bude schopna nabíjet jeden článek typu Li-ion (4,2 V) proudem o velikosti 2 A, to vše v náležitě odděleném prostředí. Systém vykáže široký vstupní rozsah 18 V až 72 V spolu se zakončením nabíjení po uplynutí 2,9 h. Proud v režimu Trickle dosahuje úrovně 220 mA.

 

Popsané řešení řízeným způsobem omezuje celkový výstupní proud systému na 2,5 A. Tím, že zabráníme proudovému přetížení primáru, zajistíme díky vstupnímu proudovému omezení další úroveň ochrany výkonových prvků a dosáhneme tak vyšší spolehlivosti celého nabíjecího systému.

 

 

 

Dalším specifickým, ale na druhé straně též běžně vyžadovaným řešením nabíječky baterií se stává zvyšující / snižující přístup. Ani zde však aktuálně nemáme k dispozici žádné speciální integrované řešení. Na obr. 7 vidíme naši známou strukturu LTC4000, propojenou s obvodem LTC3789, takže dostáváme plnohodnotnou nabíječku 12 V olověných baterií s přívlastkem buck-boost.

 

 

Právě zmíněná topologie buck-boost následně umožní nabíjet baterii z napětí menšího nebo také většího, než je ono plovoucí napětí, což vede k dalším zjednodušením ve spojitosti s baterií i jejím vstupním napětím. Počet sériově zapojených článků baterie pak lze optimalizovat s ohledem na další parametry systému, případně též cenu či dostupnost takového packu. Pod další zjednodušení při volbě kapacity baterie se rovněž podepisuje flexibilita snadného nastavování nabíjecího proudu – definováním hodnot dvou rezistorů R_CS a R_CL.

 

Zmíněné řešení, spojující obvody LTC4000 a LTC3789, nabíjí 12 V olověný akumulátor (napěťové hladiny 14,4 V a 13,4 V) proudem o velikosti 4,5 A, to vše ze vstupního zdroje s napětím od 6 V až do 36 V. Systém byl nastaven tak, aby limitoval vstupní proud na úrovni 12,5 A, zatímco umožní sdílení požadavků zátěže mezi vstupem a baterií – to pokud si zátěž systému vyžádá ze vstupu více než 12,5 A. Takovou vlastnost pak oceníme zejména na spodním konci rozsahu zdroje napětí, kdy vstupní proudy překotně rostou, aby tak vyhověly vzrůstajícím výkonovým požadavkům na výstupu.

 

Popisovaná nabíječka nenabízí zakončení, nicméně podporuje trvalé nabíjení v režimu konstantního napětí v kontextu výsledného plovoucího napětí o velikosti 13,4 V. Propojíme – li piny /CHRG a BFB rezistorem o velikosti 187 k, dostaneme dvoustupňový algoritmus nabíjení (absorption / float), obvyklý pro olověné baterie. Celkový algoritmus přitom nejprve nabíjí na absorpční úroveň 14,4 V a to až do chvíle, kdy proud klesne na hladinu 500 mA. V tomto bodě vývod /CHRG přechází do stavu vysoké impedance, čímž dochází ke změně ve zpětnovazební odporové síti, připojené k pinu BFB. Nabíječka následně vstupuje do výsledného režimu s konstantním napětím (13,4 V). Klesne – li napětí na baterii pod 13,1 V (prahová úroveň pro opětovné dobití), změní vývod /CHRG svůj stav opět na nízkou impedanci a nabíječka začíná opakovaně dobíjet baterii na vyšší úroveň 14,4 V.

 

 

Protože se jedná o snižující / zvyšující nabíječku, lze jí podpořit baterie s jakýmkoli plovoucím napětím mezi 3 V až 36 V – jednoduše totiž dokážeme přizpůsobit odporové děliče, resp. volbu PFETu. Obdobné změny pak umožní definovat velikost nabíjecího proudu od několika mA až do desítek A.

 

Na obr. 8 vidíme demonstrační board s dvojicí obvodů LTC4000 a LTC3789. Stojí za zmínku, že prostor pro obvod LTC4000 a jeho nezbytné pasivní součástky bude skutečně malý – zabere totiž plochu menší než 3,6 cm². Prakticky jakákoli baterie tak může těžit z kompaktních rozměrů dané nabíječky.

 

 

 

Rostoucí požadavky na alternativní zdroje energie spolu s explozí přenosných aplikací, používaných v průmyslu nebo třeba medicíně, vyústily v potřebu celé řady systémů, živených z nabíjecích baterií. Spousta takových systémů však vnáší požadavky, které jednoúčelové integrované obvody – nabíječky nemohou naplnit: jsou totiž zaměřeny na specifická chemická složení / konfigurace článků a také vstupní / výstupní napětí. Řešení z diskrétních součástek těmto potřebám sice vychází vstříc, nicméně bývají mnohem komplikovanější, zaberou výrazně více místa na desce plošného spoje a také si při samotném vývoji, v porovnání s možnostmi speciálních integrovaných obvodů, vyžádají mnohem více času.

 

Mezeru mezi aplikacemi, podporovanými jednoduše použitelnými jednoúčelovými integrovanými obvody nabíjení a těmi s podporou ze strany výrazně složitějších diskrétních řešení, nyní zaplňuje integrovaný obvod pro nabíjení baterií s označením LTC4000. Široký rozsah vstupních napětí (3 V – 60 V) a v podstatě neomezená proudová zatížitelnost následně umožňují spárování s jakoukoli topologií DC / DC či AC / DC měniče, včetně buck, boost, buck-boost, SEPIC nebo též flyback. Díky výběru vhodného měniče pak s obvodem LTC4000 získáme vysoce výkonné, plnohodnotné a také účinné řešení nabíječky baterií, zabírající méně než oněch typických 3,6 cm².