Už vím jak nabíjet – Li-Ion článek a výběr vhodného obvodu (1. část)

Vybíráme správný integrovaný obvod

Pokud již tedy máme za sebou předběžnou teplotní analýzu a také jsem si již zvolili topologii nabíjecí struktury, můžeme přikročit k samotnému výběru toho nejlepšího integrovaného obvodu pro zvolenou aplikaci. Nová řešení bateriových nabíječek nabízí spoustu prvků, které lze zapracovat s cílem dále zkvalitnit vyvíjený systém. Možnosti typu

• vstupní přepěťové ochrany,
• PPM (Power-Path Management),
• V_IN-DPM,
• teplotní regulace,
• monitorování s NTC termistorem (Negative Temperature Coefficient) či
• podpory nabíjení prostřednictvím rozhraní USB

byly implementovány do celé řady integrovaných obvodů, věnovaných nabíjení. Většina jednočlánkových nabíječek má navíc nezbytné FETy zapracovány přímo v dané součástce, čímž šetří místo na desce plošného spoje.

Vstupní přepěťová ochrana (jednoduchý vs. duální vstup)

S tím jak se USB stává na současném trhu nejrozšířenějším zdrojem pro periférie, bude i možnost souvisejícího nabíjení z takového rozhraní brána jako zcela nezbytná. Trh postupně přešel z počátečního 2vstupového řešení s jednoúčelovým AC adaptérem a samostatným USB konektorem na 1vstupové systémy, využívající síťový adaptér s USB konektorem, který používá stejný kabel jako vstup USB. To vedlo k migraci od řešení se dvěma vstupy směrem k těm jednovstupovým. Jediný vstup však v souvislosti s daným rozhraním vnesl spoustu potíží. Ve spojení s tak bohatou nabídkou adaptérů či univerzálních konektorů musí vstup bez poškození ustát mnohem větší napětí. Protože bude nabíječka baterie pokaždé připojena k danému vstupu, je logické, že by měla chránit před přepětím cokoli, co k ní zapojíme. Aby mohla být taková podmínka splněna, nabízí spousta řešení případnou odolnost vůči 20 V nebo dokonce i 30 V. Takové součástky navíc mívají přepěťovou ochranu (OVP, Overvoltage Protection), která zastaví činnost v případě, že vstup překročí prahovou úroveň OVP. Dále tak chráníme připojené obvody před možnými stavy krátkodobého přepětí.

V reakci na současně nově zaváděné zelené vstupy (tzn. solární články) či bezdrátové nabíjení se aplikace opět vrací k požadavku na duální vstup. V závislosti na konkrétních požadavcích dané aplikace tedy máme k dispozici obě konfigurace.

Power-Path Management / minimální systémové napětí

Tradiční přístup k nabíječkám spočíval v přímém připojení systému k baterii, takže souběžně dodáváme energii baterii i systému. Celkový proud, přitékající do systému, je pak regulován, což přináší několik problémů. Konkrétně se jedná o

• náběh s vybitou baterií,
• interference během ukončování procesu a také
• předčasně ukončený časový limit timeru.

PPM (Power-Path Management) svým monitorováním proudu protékajícího baterií, odděleně od proudu systémového, takové problémy odstraní ^[2].

Obr. 2: Příklad tradiční topologie

Obr. 3: Příklad topologie Power-path

Minimální systémové napětí

V případě tradičního přístupu bude systémové napětí vždy stejné jako to bateriové. Máme – li tedy hluboce vybitý článek, systém nenaběhne, dokud se baterie nenabije na použitelnou úroveň. S PPM dochází k regulaci systémového napětí odděleně od napětí pro baterii. To znamená, že přichází v úvahu minimální systémové napětí, bez ohledu na napětí baterie. Uživatelé tak mohou používat zařízení hned po připojení adaptéru, samozřejmě za předpokladu, že bude mít dostačující výkon s ohledem na požadavky systému. Tuto funkci nabízí pouze některé obvody, např. bq25060.

Rychlejší nabíjení

Vzhledem k tomu, že jsou systémové a nabíjecí proudy nastavovány samostatně, lze využít plného výkonu adaptéru bez ohledu na kapacitu baterie a dobíjecí proud. U tradičních topologií musíme výstupní proud nabíječky nastavit na maximum nabíjecího proudu – pro případ, kdy zde nemáme žádnou systémovou zátěž. Je – li ale zátěž přítomna, bude skutečný nabíjecí proud snížen – systém totiž jinak dosažitelný proud odčerpává. Nasadíme – li tedy například tradiční postup v systému, využívajícím 900 mA adaptér spolu s 500 mAh článkem, můžeme nastavit nabíjecí proud o velikosti 500 mA. Činí – li pak systémová zátěž nějakých 200 mA, bude skutečný nabíjecí proud pouhých 300 mA, což téměř zdvojnásobí dobu nabíjení. Uvážíme – li nyní stejný případ v duchu PPM, bude vstupní proudový limit nastaven na 900 mA. To tedy umožní plný 500 mA nabíjecí proud a ještě nám zůstane k dispozici až 400 mA přídavného systémového toku.

Zakončení a předčasně ukončený časový limit timeru

U tradičního systému, ve kterém dochází k regulaci celkového proudu, bude proud sdílen baterií a také zátěží. Je – li zátěž v podobě systému příliš velká, tj. dochází – li k odčerpávání nabíjecího proudu baterie a článek se tak nestačí před uplynutím časového limitu – timeoutu timeru nabít, hovoříme o chybné interpretaci. Jestliže dále systémový odběr nikdy neklesne pod nastavenou velikost zakončovacího proudu, nedojde nikdy k ukončení procesu. Takovým podmínkám opět předcházíme Power-Path Managementem, monitorujícím nabíjecí proud odděleně, přičemž využíváme dynamického nastavení timerů, tj. přizpůsobení s ohledem na omezení nabíjecího proudu. Pokud jde o problémy se zakončením, nabíjecí proud monitorujeme samostatně, takže jednoduše dokážeme změřit podmínky pro ukončení.

Dynamické řízení napájení, vycházející ze vstupního napětí (V_IN-DPM, Input voltage-based dynamic power management)

Abychom předešli podmínkám brown – outu, při kterém přetěžujeme vstupní zdroj, implementovalo několik součástek dynamické řízení napájení, vycházející ze vstupního napětí (V_IN-DPM). Tato smyčka snižuje vstupní proudový limit, čímž brání možným vstupním potížím. Obvod V_IN-DPM účinně reguluje vstupní napětí a maximalizuje tím velikost proudu, odebíraného ze zdroje. Na obr. 4 vidíme výsledné přetížení USB portu bez ochrany v podobě V_IN-DPM. Povšimněte si prosím, že když vstupní napětí klesá pod prahovou úroveň power good, nabíječka vypíná. Tímto způsobem odpojujeme zátěž od zdroje a umožňujeme zotavení vstupního napětí, které pak opět aktivuje nabíjení. Takové pulzující spínání / vypínání ale není žádoucí.

Obr. 4: Vstupní potíže bez V_IN-DPM

V_IN-DPM předchází takovému pulzování limitací vstupního proudu – vstupní zdroj tak již nebude ohrožován. Na obr. 5 vidíme výsledky přetížení USB portu. Funkce V_IN-DPM zareaguje a zmenší vstupní proudový limit, čímž zabrání havárii zdroje.

Obr. 5: Ochrana vstupu před přetížením s využitím V_IN-DPM

NTC monitorování (včetně JEITA)

Během nabíjení je nesmírně důležité sledovat teplotu baterie. Zamezíme tím zničení nebo dokonce výbuchu celého packu. Zpravidla tak činíme monitorováním NTC termistoru, integrovaného do packu nebo umístěného na systémové desce, těsně vedle baterie. Celá řada nabíječek má funkci pro NTC monitorování zapracovanou přímo do integrovaného obvodu. Tyto čipy sledují teplotu a zablokují nabíjení, dosáhne – li teplota baterie riskantních úrovní.

• JEITA (Japanese Battery Temperature Standard)

je nově vznikajícím standardem pro nabíjení baterií. Standard poskytuje vedení na určitých mezilehlých teplotách, kde omezujeme nabíjecí napětí či proud s ohledem na zajištění bezpečnějšího provozu. Zmíněný standard JEITA je také jednoduše implementován v celé řadě integrovaných obvodů pro nabíječky. Tak třeba jednočlánkové nabíječky Li-Ion článku s jedním vstupem zapracovávají samostatné řešení, které nevyžaduje žádný zásah ze strany host zařízení. V systémech, kde je NTC monitorováno hostem, zase spousta integrovaných obvodů zajišťuje velmi jednoduchou implementaci. Použijeme – li nabíječku, vybavenou rozhraním I²C, umožňujícím uživateli dynamickou změnu nabíjecího napětí včetně proudu, může host modifikovat parametry nabíjení, odrážející aktuální teplotu článku. Taková metoda poskytne potřebnou flexibilitu ve věci nastavování požadovaných prahových úrovní teploty pro různé platformy a také baterie – to vše bez jakékoli hardwarové změny.

Nabíjení v souladu s USB

V případě nabíjení prostřednictvím USB máme k dispozici mnoho souvisejících integrovaných obvodů, zapravujících proudové limity USB100 a USB500. Protože všechny připojené struktury umístíme až za výstup USB nabíječky, můžeme jako vývojáři zajistit, že nebudou překročena proudová omezení rozhraní USB ^[3].

Mimořádné výstupy napájení

Díky popularitě nabíjení prostřednictvím USB vyžaduje celá řada aplikací v souvislosti s hostem USB PHY či USB transceiver. Taková zařízení jsou nakonec obvykle připojena přímo k napájení V_BUS, přičemž vyžadují přepěťovou ochranu. Spousta integrovaných nabíječek proto nabízí 5 V LDO, připojené a napájené ze zdroje. Tento výstup bude aktivní, kdykoli připojíme platný zdroj. 5 V stabilizované napětí LDO chrání USB struktury před adaptéry bez možnosti regulace či jinými přepěťovými podmínkami.

Závěr:

Chceme – li nabíjet jednočlánkové Li-Ion baterie, máme k dispozici celou řadu dostupných možností. Abychom však zvolili to nejlepší řešení, musíme zohlednit všechny požadavky, tj. nabíjecí proud, dostupné místo, shodu s USB, cenu a také případné doplňkové vlastnosti. Začneme seřazením požadavků dle jejich důležitosti a pokračujeme výběrem topologie, která konkrétnímu zadání padne nejlépe. Určitě nesmíme zapomenout ani na teplotní kritéria. Nakonec ještě každému výstupu vybereme takové řešení, které bude cenově nejpříznivější. Budeme – li se těmito jednoduchými pokyny řídit, pravděpodobně se vyvarujeme mnoha obtíží, které jinak návrh bateriových nabíječek provází.

Download a odkazy:

•  Pro více informací ve věci výpočtu tepelných odporů a souvisejícího modelování si dovolujeme odkázat na následující aplikační poznámku: IC Package Thermal Metrics (SPRA953A), Texas Instruments, 26. ledna 2007 [1].
• Seznamte se s datasheety obvodů bq24030 a bq2407x – příkladů součástek, využívajících Power-Path Management [2].
• Více informací o využití USB během nabíjecího procesu přináší také článek Some tips for charging from USB sources, EE Times, 25. ledna 2010 [3]. 

Něco o autorovi

• William (Will) Hadden

je systémovým inženýrem ve skupině Battery Charge Management při Texas Instruments. Will má dlouholeté zkušenosti s nabíječkami baterií a také integrovanými obvody pro analogové napájecí zdroje. Své BSE v oblasti elektrického inženýrství získal na Arizona State University. Pokud chcete Willovi napsat, použijte prosím tuto adresu: ti_willhadden@ list.ti.com (pozor – mezera za zavináčem).