Vývoj přenosných zařízení postupuje neustále kupředu. Aby mohl mít koncový uživatel přístup k dalším užitečným funkcím, bývají do systému přidávány nové prvky, zvyšující složitost celého řešení. Každý další prvek však bude znamenat určitou zátěž pro připojený napájecí zdroj a vnese proto nové otázky ve věci jeho návrhu. Naproti sobě zde stojí běžná potřeba větších výkonů a kapacita spolu s rozměry použité baterie, limitující dosahované výsledky. Konkrétní příklady známe všichni. Jedná se například o rozměrnější displeje s „nenasytným“ podsvícením, větší výpočetní výkony nebo kapacity datového úložiště, vestavěné, výkonné fotoaparáty s bleskem nebo rozšířené možnosti bezdrátového připojení. Abychom tedy udrželi nebo, ještě lépe, prodloužili provozuschopnost bateriově napájeného zařízení bez nutnosti zvětšení rozměrů napájecích článků, budeme muset v době nečinnosti jednotlivých bloků začít využívat
- nízkopříkonových režimů.
Pokud to však bude nutné, nesmí takové prvky s probuzením k plnému výkonu zbytečně otálet a negativně tak ovlivňovat použitelnost celého systému. V odběru z napájecího zdroje tak můžeme pozorovat velké a také rychlé změny, resp. vysoké špičkové odběry v rámci krátkého zatěžovacího cyklu, následované prakticky nulovými proudy. Dosáhli jsme tak žádaného snížení průměrné velikosti vstupního proudu a tudíž i delší životnosti bateriového zdroje. Zároveň to však také znamená vysoké a téměř nepředvídatelné špičkové zatížení článků.
Schopnost baterií pokrývat v dané konfiguraci takové špičkové odběry, včetně způsobu, jakým to budou provádět, definujeme tzv.
- výstupní impedancí,
závisející na chemickém složení článků a také jejich zapojení. Zdrojová impedance napájecího systému se v konkrétní aplikaci bude skládat z
- případných spínacích prvků,
- ochranných obvodů, jsou – li vyžadovány,
- konektorů,
- způsobu připojení k obvodům napájecího managementu a pochopitelně také z
- výstupní impedance baterie samotné.
Nesmíme však zapomenout, že všechny špičkové odběry na takové výstupní impedanci způsobují výrazné napěťové úbytky a snižují tak skutečně dosažitelnou velikost napájecího napětí řídicí struktury.
Obr. 1: Výstupní impedance Li-Ion, LiFePO a dvou alkalických článků, řazených sériově
Na obr. 1 vidíme naměřené výstupní impedance tří baterií, vyrobených za přispění odlišných technologií. Fialová křivka zachycuje průběh výstupní impedance dvou alkalických článků v sérii, oranžová křivka zase patří výstupní impedanci LiFePO článku a modrá pak Li-Ion (Lithium-Ion) prvku. Jak ostatně můžeme vidět, obě lithiové (Li) technologie vykazují podobné vlastnosti. Požadované ochranné struktury pro Li-Ion technologie, které však do tohoto měření zahrnuty nebyly, zvyšují výstupní impedanci přinejmenším o spínače baterie, vyžadované k odpojení článků a jejich odpor v sepnutém stavu. Alkalické zdroje zde zase „trpěly“ kvůli menším rozměrům (AA ve srovnání s 18650) a sériovému spojení dvou článků. Impedance jednotlivých zdrojů byly zapojeny do série, stejně jako další spoj mezi bateriemi. Kromě toho všeho, alkalické články, zkoumané v tomto testu, vykázaly během vybíjení výrazný nárůst výstupní impedance, srovnáváme – li s prakticky neměnnou úrovní, pozorovanou v případě Li technologií.
Dojde – li k proudovému odběru z těchto baterií, začne napětí na článcích klesat, stejně jako vstupní napětí připojeného obvodu napájecího managementu. Mohou za to napěťové úbytky na všech impedancích a to jak na samotné baterii tak i souvisejících propojkách. S klesajícím napětím se pak bude snižovat i velikost dostupného výkonu. Potřebnou kompenzaci může na základě navýšení vstupního proudu zajistit připojený DC / DC měnič – požadovaný výstupní výkon DC / DC měniče je totiž pevně daný a definovaný aplikačním zapojením. Od určité velikosti proudového odběru z baterie však již jeho další zvyšování nemusí nezbytně znamenat i další navýšení žádaného výkonu.
Obr. 2: Baterie s výstupní impedancí 350 mΩ a dostupný výstupní výkon
Na obr. 2 vidíme výsledek jednoduchého výpočtu za předpokladu konstantní impedance zdroje o velikosti 350 mΩ, odpovídající nejhoršímu případu pro Li články, zachycené výše. Napětí baterie naprázdno se zde pohybuje v rozsahu od 1,8 V až do 4,5 V. Můžeme vidět, že pro vyšší napětí baterie budou vyšší proudy stále ještě znamenat větší výstupní výkony. Nárůst výkonu však není lineární jako v případě ideální baterie s výstupní impedancí, rovnou nule. Pro malá napětí ale spatřujeme opačný jev. Při napětí 1,8 V již vyšší proudy odpovídají menšímu dostupnému výkonu (pro odběry nad 2 A).
Požadujeme – li tedy určitý výkon, potřebujeme detailně analyzovat konfiguraci jednotlivých článků a také použité způsoby propojení. Možná bude potřeba upravit konfiguraci, vedoucí k většímu počtu paralelně zapojených článků, které se tak lépe vypořádají s velkými proudy, zejména pak v případě prakticky vybitých baterií. Napěťový úbytek, způsobený špičkovými vstupními proudy, také ovlivní použitelný rozsah napájecího napětí pro systém napájecího managementu, který na něj musí reagovat. Rozšíření směrem k nižším napětím pak vyžaduje odlišné topologie DC / DC měničů (buck – boost).
Snižující měniče nemohou regulovat výstupní napětí v případě, že jejich napájecí napětí kvůli špičkovému zatížení baterie klesne pod nastavenou úroveň výstupního napětí. Taková situace pak může vést k nespolehlivé činnosti celého systému. Rovněž v této věci hovoříme o částečném systémovém shutdownu, spouštěném podpěťovým zámkem a jeho detektory nebo také o závadách, způsobených poklesem napájecího napětí.
K řešení takových problémů se proto nabízí struktury pro monitorování napětí, generující informaci, na základě které dochází k
- rozhodování o povolení nebo také zakázání různých částí dané aplikace v závislosti na dostupném výkonu.
V mobilním telefonu a jeho fotoaparátu tak například zakážeme funkci blesku, bude – li baterie téměř vybita, čímž zajistíme určité prodloužení náležitého chodu komunikační části. Abychom zabránili zbytečnému plýtvání provozního času, budeme muset
- velmi přesně stanovit dostupný výkon,
- odlišné možnosti využití a také
- související nejhorší případy, zohledňující požadované zatížení.
Nelze opomíjet ani vyšší výkonové nároky a nižší dostupné výkony v čase z titulu stárnutí, stejně jako výrobní odchylky.
Abychom zabránili přetížení a následnému zablokování systému, musíme náležitým způsobem
- řídit zdroj vstupního proudu.
Můžeme tak učinit zapracováním součástek s přesným, vstupním proudovým omezením. Pěkně to vidíme na aplikacích, napájených z USB rozhraní. Proud, který lze z USB portu odebírat, je zde totiž přesně definován. Pro zajištění korektního řízení tedy budeme vyžadovat obvod napájecího managementu se schopností přesné činnosti v souvislosti s proudovým omezením. Příkladem snižujícího měniče, vyvinutého pro tyto účely, je např. obvod
Máme – li na pozici napájecího zdroje baterii, např. jednu z těch, které jsme popsali výše, bude dostupný výkon ovlivňován mírou vybití. Chceme – li dále zabránit zablokování systému, potřebujeme rovněž řídit velikost vstupního proudu. Protože však bude maximální možný odběr naneštěstí záviset na míře vybití zdrojové baterie, nemusí konstantní omezení vstupního proudu takový problém uspokojivě vyřešit. Požadovanou cílovou úroveň proudové limitace tvoří spodní maximum proudu, odebíraného z baterie za předpokladu nejhorších podmínek. Protože se však takové stavy vyskytují pouze na konci vybíjecího cyklu, budeme důrazně vedeni k výraznému omezení dostupného výkonu již za běžných provozních podmínek. Tím ale limitujeme prvky, které mohou být jinak podporovány.
- Dynamické přizpůsobení vstupního proudového omezení s ohledem na baterii a její aktuální stav
však umožní udržet v činnosti a na vyšších výkonech, dostupných při běžných provozních podmínkách, ucelený soubor vlastností. V extrémních případech tak rovněž podpoříme zachování systémových funkcí za současného omezení minimálního počtu prvků. Na základě informace o aktuálním omezení dostupného výkonu z DC / DC měniče pak může systém průběžně rozhodovat o zakázání méně důležitých funkcí. Příkladem DC / DC měniče, který by takovou strategii jednoduchým způsobem podpořil, je buck – boost měnič TPS63020.
Pokud již dostupná velikost vstupního proudu nemůže pokrýt výkonové nároky dané aplikace, třebaže by jinak byla průměrná spotřeba dostatečně malá, oceníme v souvislosti s hromaděním energie služby tzv.
- bufferingu.
Výborně se k tomu hodí větší kondenzátory. Kondenzátor pak vykrývá špičkové proudové pulsy, přičemž během přestávek mezi jednotlivými zátěžemi dochází k jeho průběžnému dobíjení. Budeme však vyžadovat nepřerušovanou činnost proudového omezení DC / DC měniče. DC / DC měnič zastavuje svou činnost (Idle) jakmile je výstupní kapacita nabita na zvolenou, jmenovitou úroveň napětí. Výkonová spotřeba DC / DC měniče v režimu nečinnosti by měla být malá, přičemž výstupní impedance musí být přiměřeně vysoká, jen aby nevybíjela výstupní kondenzátor, čekající na další zatěžovací puls. Všechny takové požadavky splňuje např. buck – boost měnič
Download a odkazy:
Více informací o návrhu napájecích zdrojů, určených do přenosných zařízení, naleznete v těchto datasheetech:
Pro získání dalších informací o již zmíněném a také souvisejících řešeních napájecích zdrojů od Texas Instruments navštivte
Něco o autorovi:
Juergen Neuhaeusler je systémovým inženýrem ve skupině Advanced Low-Power Solutions v TI, kde odpovídá za definice nových obvodů napájecího managementu, jejich testování a také školení zákazníků, kteří je tak mohou začít používat. Svůj diplom, prokazující vzdělání v oboru elektrického inženýrství, Juergen získal na technické univerzitě v Mnichově.
