V současné době máme k dispozici celou řadu možností v otázce nabíjení jednočlánkových Li-Ion (Lithium-Ion) zdrojů. S každoročně se rozrůstající nabídkou příručních zařízení totiž rostou i požadavky na související nabíječky. Abychom však mohli pro daný účel zvolit ten správný integrovaný obvod, musíme zvážit několik okolností. Ještě před spuštěním samotného vývoje si potřebujeme ujasnit otázku

• rozměrů daného řešení,
• shody s USB,
• rychlosti nabíjení a také
• ceny.

Zmíněné faktory pak musíme seřadit dle důležitosti a v souladu s těmito závěry následně volit i příslušný nabíjecí – integrovaný obvod. V tomto článku se proto budeme věnovat některým nabíjecím topologiím a také vlastnostem, dostupným v rámci čipů, určených do nabíječek. Dále rovněž prozkoumáme několik aplikací a naznačíme možná řešení.

Nabíjecí cyklus Li-Ion zdroje

Li-Ion baterie vyžadují speciální nabíjecí cyklus, který zajistí bezpečnou dodávku energie a také maximální možnou měrou prodlouží životnost článku. Baterie se dobíjí ve dvou etapách:

• Konstantním proudem (Constant Current, CC) a
• konstantním napětím (Constant Voltage, CV).

Nedosahuje – li baterie napětí, odpovídajícího plnému nabití, dochází k regulaci proudu, dodávaného do článku. V režimu CC je proud řízen v jedné nebo dvou úrovních. Bude – li napětí na baterii příliš nízké, omezí se nabíjecí proud pouze na určitou před – nabíjecí úroveň, „pečující“ o článek a předcházející tak jeho poškození. Tato prahová úroveň bude záviset na konkrétním chemickém složení, přičemž zpravidla bývá definována výrobcem článku. Jakmile napětí na článku stoupne nad úroveň pro před – nabíjení, dostáváme se na zvýšenou úroveň proudu pro rychlonabíjení. Maximální doporučená velikost rychlonabíjecího proudu činí u takových typických článků 1 C (C zde představuje velikost proudu, který lze z baterie odebírat po dobu jedné hodiny, tj. „jednonásobek její kapacity“), ale jeho velikost je také ovlivňována výrobcem konkrétního akumulátoru. Abychom však maximálně prodloužili životnost článku, budeme uvažovat typický nabíjecí proud cca 0,8 C. V průběhu nabíjení napětí na baterii poroste. Když pak napětí na článku dosáhne předepsané úrovně (typicky 4,2 V), začíná proud, dodávaný z nabíječky, postupně klesat, přičemž, abychom zabránili přebíjení, dochází k regulaci napětí. Zmenšování velikosti protékajícího proudu v tomto režimu odráží pokračující proces dobíjení článku (impedance baterie se snižuje). Jakmile pak proud poklesne na předem stanovenou úroveň (obvykle 10 % velikosti rychlonabíjecího proudu), je nabíjení ukončeno. Li-Ion články nejsou běžně určeny k trvalému záložnímu dobíjení (tzv. float – charging), protože to zkracuje jejich životnost. Typický nabíjecí cyklus jsme graficky znázornili na obr. 1.

Obr. 1: Typický nabíjecí cyklus Li-Ion článku

Lineární nebo spínané řešení

Máme zde k dispozici dvě odlišné topologie, kterými konvertujeme napětí adaptéru na nižší napětí článku, resp. řídíme rozdílné fáze nabíjení:

• Lineární stabilizátory a
• spínané zdroje s indukčností.

Obě topologie vykazují v otázce rozměrů, účinnosti, ceny konkrétního řešení i vyzařování (EMI, Electromagnetic Interference) určité výhody nebo zase stinné stránky. Nyní tedy zmíníme přínosy, ale také kompromisní řešení obou variant.

Induktivní řešení jsou obvykle nejlepší volbou z titulu nejvyšší dosahované účinnosti. Ke snímání nabíjecího proudu dochází na výstupu a to prostřednictvím vhodného prvku – např. rezistoru. Nachází – li se nabíječka v režimu CC, řídí pracovní cyklus proudová zpětná vazba. V režimu CV zase hovoříme o zpětnovazebním řízení cyklu, založeném na snímání napětí na baterii. V závislosti na konkrétním řešení se lze setkat i s jinými řídicími smyčkami (ještě se o nich v textu zmíníme). Spínaný zdroj se tedy bude skládat ze spínacího prvku, usměrňovače, indukčnosti a vstupních / výstupních kapacit. V celé řadě aplikací pak můžeme rozměry daného řešení snížit vhodnou volbou součástky – integrovaného obvodu, jehož součástí již budou spínací prvek včetně usměrňovače. Takové struktury pak v závislosti na připojené zátěži dosahují typické účinnosti v rozsahu od 80 do 96 %. Spínané měniče kvůli rozměrům jinak nezbytné indukčnosti zpravidla zaberou více místa a také obecně bývají o něco dražší. Rovněž zde v důsledku zapracované indukčnosti vyzařujeme (EMI) a generujeme z titulu samotného spínání rušení na výstupu.

Lineární nabíječky zase snižují DC napětí o úbytek vstupního napětí na průchozím prvku. Výhoda zde spočívá v tom, že takové řešení vyžaduje pouze tři součástky – samotný prvek a vstupní / výstupní kondenzátory. Lineární stabilizátory (LDO) jsou obvykle levnější a také mnohem méně zarušené než předchozí spínané struktury s indukčnostmi. Nabíjecí proud je řízen změnou odporu průchozího prvku, limitujícího velikost proudu, přitékajícího do baterie. Proudovou zpětnou vazbu většinou odebíráme ze vstupu integrovaného obvodu nabíječky. Pro zajištění zpětnovazební informace v případě režimu CV zase snímáme napětí na baterii. Abychom dokázali udržet buď konstantní proud, přitékající do vstupu integrovaného obvodu nebo konstantní napětí baterie, dochází ke změně odporu průchozího prvku. Vstupní proud, přitékající do součástky, se rovná proudu tekoucímu zátěží. To znamená, že účinnost daného řešení se bude rovnat napěťovému poměru výstupu vůči vstupu. Nevýhoda postupů, založených na LDO, pak spočívá v nízké účinnosti pro vysoké poměry vstupního a výstupního napětí (to jest třeba stavy vybité baterie). Veškerý výkon se rozptýlí na průchozím prvku což znamená, že LDO nebude zrovna ideálním řešením pro aplikace s vysokými nabíjecími proudy, zatímco ještě vykazujeme velký rozdíl mezi vstupem a výstupem. V takových zapojeních se špičkovými výkony vyžadujeme chlazení, které ovšem navýší celkové rozměry.

Výpočet výkonové ztráty a rostoucího oteplení

kde η představuje účinnost nabíječky a P_OUT = V_OUT × I_OUT.

Vzestup teploty, způsobený ztrátovým výkonem, lze určit prostřednictvím tepelného odporu. Tepelný odpor bude pro každou aplikaci jiný, přičemž závisí na takových parametrech jako jsou layout desky plošného spoje, přítomnost proudění vzduchu či způsob zapouzdření, máme – li jmenovat alespoň některé. Tepelný odpor by měl být stanoven (modelován) s ohledem na desku koncové aplikace. Mějte prosím na paměti, že Θ_JA, tak jak ji známe z datasheetu, není vhodným zpodobněním tepelného odporu aplikace ^[1].

Jakou topologii tedy nasadit?

Prvním parametrem, který potřebujeme prozkoumat, se stává velikost nabíjecího proudu. Pro

• malé aplikace typu sluchátkových sad Bluetooth™,

u kterých se velikost nabíjecího proudu pohybuje mezi 25 mA až 150 mA, se jako nejlepší možné řešení téměř vždy jeví lineární nabíječka. Tyto aplikace zpravidla vynikají velmi malými rozměry a nemohou si tudíž dovolit „mrhat“ prostorem kvůli větším součástkám spínaného zdroje. Se svými požadavky na velmi malé výkony se navíc otázka rostoucího oteplení, způsobeného výkonovými ztrátami, stává prakticky bezvýznamnou. V případě

• mobilních telefonů a souvisejících struktur

se pak nabíjecí proudy obvykle pohybují v rozsahu 350 – 700 mA. I v tomto případě se lineární řešení mnohdy jeví jako velmi dobře použitelné. Přidáme – li k tomu docela nekompromisní cenovou politiku těchto typicky levných telefonů, stanou se lineární nabíječky vskutku ideálním řešením. V případě

• smartphonů

s rostoucí velikostí napájecí baterie, u které může požadavek na velikost nabíjecího proudu překročit 1,5 A, již začínají dávat spínané zdroje smysl. Při odběrech 1,5 A může být míra rozptýleného tepla docela zásadní. Budeme – li např. lineárním systémem nabíjet 3,6 V baterii z 5 V adaptéru, hovoříme o 72 % účinnosti. To na první pohled nezní zas tak špatně. Pokud se však na celou věc podíváme z pohledu rozptýleného výkonu, mohlo by se na takové aplikaci ztratit něco okolo 2 W. V systému s tepelným odporem (Θ_JA) 40 °C/W pak hovoříme o navýšení teploty čipu o 80 °C. Při okolní teplotě 40 °C se tedy deska může zahřát až na 120 °C, což pro příruční aplikace určitě nepřichází v úvahu. Pro velmi malá napětí baterie (tj. 3 V) se celá situace vyhrotí ještě více. Za stejných podmínek stoupá na 3 V teplota na 120 °C.

Pojďme se nyní zastavit u spínaného řešení, provozovaného za stejných podmínek. Použijeme – li jednočlánkovou nabíječku s integrovaným obvodem, navýšíme účinnost přibližně na 85 procent. V případě 3,6 V baterie zde rozptýlíme méně než 1 W, což vede k navýšení teploty o 40 °C. Na 3 V pak pozorujeme ještě dramatičtější zlepšení. Předpokládejme 80 % účinnost 3 V výstupu, rozptýlený výkon bude méně než 800 mW a teplota tak poroste ještě méně (cca 32 °C). Fyzické provedení takových smartphonů obvykle umožňuje maličko větší řešení a také může ustát symbolické navýšení ceny, spojené se zapracováním spínaného režimu.

Dokončení příště.