Динамічний розподіл потужності в ланцюгах зарядки полегшений

Пропозиція від

Поточні статті з "Основ аналогових технологій"

Поточні статті з "Поради щодо аналогових схем"

Поточні статті з "Програми"

Поточні статті з "Аналогового живлення"

Поточні статті з "Симуляторів схеми"

Поточні статті з "Аналогові компоненти"

Основи Динамічний розподіл потужності в зарядних схемах спрощений

Оптимальний розподіл потужності в портативних пристроях, що працюють від акумуляторів, створює справжні проблеми для розробників систем. Ми покажемо вам, як легко виконати це завдання за допомогою вбудованого блоку управління потужністю.

У портативних пристроях внутрішній ІС для зарядки зазвичай контролює зарядку акумулятора. За допомогою літій-іонної батареї вона спочатку подає постійний струм, а потім постійну напругу. Сьогодні ці мікросхеми зазвичай використовують оптимізовані процедури заряджання і тим самим реалізують динамічний розподіл енергії.

У минулому розподіл енергії в пристроях, що працюють від батарей, застосовувався по-різному. Завдяки найефективнішій структурі ви отримуєте найкращий досвід роботи з максимальним захистом акумулятора.

У цій статті описано, як працює оптимальна система розподілу електроенергії, і показано, як процес може бути реалізований у високоінтегрованому блоці управління потужністю (PMU, блок управління енергією). За допомогою нього ви можете вирішити питання живлення та зарядки акумулятора в таких пристроях, як читачі електронних книг, планшети та медіаплеєри, заощаджуючи місце.

Основні вимоги до зарядної схеми

Заряджання акумуляторної батареї спочатку просте: коли пристрій підключено до порту USB або блоку живлення, починається процес зарядки. При підключенні до мережі пристрій, як правило, прокидається, а потім черпає живлення від зовнішнього джерела і таким чином подає систему та внутрішню схему зарядки.

Електроживлення системи здійснюється не від акумулятора, який заряджається, а безпосередньо від джерела живлення. Завдяки цьому кількість циклів зарядки залишається низькою, оскільки кожен процес зарядки та розрядки зменшує термін служби акумулятора. З кількістю циклів заряду та розряду кожна літій-іонна батарея стає слабшою та слабшою, і в кінцевому підсумку виходить з ладу. Якщо уникнути непотрібного споживання енергії від акумулятора, подаючи систему, не заряджаючи акумулятор, коли є зовнішнє джерело живлення, це продовжує термін служби акумулятора.

Пристрій живиться незалежно від акумулятора

Ще однією перевагою такого розподілу потужності є те, що пристрій живиться незалежно від акумулятора. Пристрій запускається негайно, навіть при порожньому акумуляторі, без необхідності користувачеві чекати, поки акумулятор наростить напругу.

У найпростішому випадку діод відокремлює акумулятор від джерела живлення системи, інший діод забезпечує систему навколо батареї (рис. 1). Два діоди разом утворюють логічне АБО. Система запускається негайно, коли вона підключена до зовнішнього джерела живлення, коли акумулятор заряджається і може накопичувати напругу. Однак ця проста схема має різні недоліки. Найбільшим недоліком є падіння напруги на діодах Шотткі, особливим недоліком є втрата потужності через D2, що відбувається при роботі від акумулятора. У цьому випадку D2 втратить заряд акумулятора.

Живлення пристрою та заряджання акумулятора

Другим, менш очевидним недоліком є те, що зарядна схема заряджає акумулятор без урахування того, що сам пристрій хоче живитись. Якщо схема підключена до звичайного порту USB, який може подавати лише 500 мА струму, схема зарядки може використовувати весь струм для себе і не залишати нічого для системи. Гірше того, ланцюг зарядки може захотіти витратити більше 500 мА струму від порту USB і тим самим порушити специфікацію USB.

MOSFET замінює два діоди

Заміна діодів на малюнку 1 на MOSFET (M1 на малюнку 2) - це крок у правильному напрямку. У цьому випадку MOSFET забезпечує низькоомний зв’язок між акумулятором та підключеним пристроєм, що дозволяє як заряджати акумулятор, так і пристрій негайно вмикати при відключенні джерела напруги.

Якщо системі потрібно більше енергії, ніж може подати джерело живлення, акумулятор може подати різницю за допомогою PowerPath FET. Тепер, коли D1 вже недоступний, зарядний мікросхем може забезпечити внутрішнє обмеження струму і таким чином запобігти перевантаженню порту USB.

Друга проблема залишається невирішеною: обмеження струму запобігає перевантаженню порту USB, але воно не розподіляє струм між системою та зарядним пристроєм. Користувач зазвичай бажає повної продуктивності системи та приймає тривалий час зарядки замість того, щоб визнати, що його система не отримує достатньо енергії, щоб зарядити акумулятор якомога швидше.

Для вирішення цієї проблеми потрібен динамічний розподіл потужності, який контролює струм зарядки таким чином, що враховуються продуктивність джерела та вимоги до потужності підключеної системи. Метою є досягнення повної продуктивності системи за допомогою зовнішнього джерела живлення з мінімальним використанням батареї протягом цього часу.

Зовнішній та внутрішній MOSFET у шляху батареї

Схема на малюнку 3 працює як із зовнішнім, так і з внутрішнім MOSFET в шляху батареї. Ця структура пропонує динамічний розподіл потужності.

Зовнішній MOSFET не є обов’язковим: додатки з високими вимогами до потужності (де потрібно відводити багато тепла) отримують вигоду від зовнішнього комутаційного елемента. Коли ланцюг зарядки вимкнено, акумулятор повністю забезпечує підключений пристрій.

Попередній регулятор забезпечує зарядний контур і систему

На рисунку 4 показано, як ланцюг зарядки та система подаються через попередній регулятор при підключенні до зовнішнього джерела живлення. Можна налаштувати як вихідну напругу, так і максимальний струм.

Якщо потреба в потужності системи зростає, струм зарядки падає автоматично, так що максимальний струм, встановлений в попередньому регуляторі, не перевищується, таким чином досягається динамічний розподіл потужності.

Коли акумулятор повністю заряджений, система повністю забезпечується через первинний регулятор

Коли акумулятор повністю заряджений, перемикач акумулятора відкривається на малюнку 5. Тепер система повністю постачається через первинний регулятор, тому від батареї не відводиться струм, що продовжує термін її служби. Якщо поточна потреба системи (червона) перевищує встановлений максимальний струм зовнішнього джерела, акумулятор може також подавати струм (жовтий) через транзистори PowerPath (“вимикач батареї + ідеальний діод” на малюнку 5). Якщо досягнуто запрограмований максимальний струм, VSUP_CHG опускається мінімально нижче напруги акумулятора, щоб струм міг надходити від акумулятора в систему. Максимальний струм зовнішнього джерела живлення не перевищений, тому джерело живлення не перевантажується.

Інтеграція динамічного регулювання струму в ПМУ

У портативній побутовій електроніці, такі як планшети, місця просто не вистачає. Тому джерело живлення для таких пристроїв, як правило, будується за допомогою мікросхеми управління живленням (PMIC), яка поєднує необхідні перетворювачі постійної напруги в одній мікросхемі.

Для спрощення конструкції джерела живлення та економії місця бажано, щоб схема зарядки була інтегрована в цей PMIC. Але де динамічне управління струмом, як описано вище?

Динамічне управління струмом за допомогою PMIC

На рисунку 7 показано оптимальне налаштування для реалізації динамічного регулювання потужності з AS3711, PMIC від ams для портативних пристроїв, таких як медіаплеєри та планшети. AS3711 оснащений двома перетворювачами на 1 А, перетворювачем на 1,5 А, перетворювачем на 3 А, вісьмома LDO, двома підсилювальними перетворювачами та контролером заряду з перемиканням на 1,5 А - все в упаковці 7 мм х 7 мм.

Регулятор заряду, заснований на імпульсному регуляторі, заряджає батарею ефективніше, ніж лінійна схема заряджання, яка зазвичай використовується. Тому йому потрібно менше енергії, так що більша частина струму живлення залишається для підключеної системи (яка подається VSUP). Більш висока ефективність комутаційного регулятора також знижує втрати теплової потужності під час заряджання акумулятора. AS3711 також пропонує захист від перенапруги до 30 В і попередній регулятор, що обмежує струм, який можна запрограмувати на 16 різних значень струму від 0,1 до 2,5 А. Також можна налаштувати напругу на рейці VSUP_CHG.

PMIC з інтегрованою схемою зарядки економить простір та витрати

Використання PMIC з інтегрованою схемою зарядки економить простір та витрати на окрему зарядну мікросхему. Крім того, всі напруги та повний процес зарядки можна встановлювати та контролювати лише за допомогою одного набору регістрів. Схема зарядки PMIC та інших функціональних блоків може бути надзвичайно легко налаштована за допомогою графічного інтерфейсу користувача AS3711 (див. Малюнок 8). За допомогою цього графічного інтерфейсу ви можете запрограмувати всі функціональні блоки з малюнка 7, завдяки чому можна налаштувати струменеву зарядку, постійну струмову зарядку, постійну зарядку напруги, час, час очікування, контроль температури, обмеження струму та виявлення зовнішньої перенапруги. Також існує вибір між лінійною та комутаційною зарядкою акумулятора.

Основні переваги використання PMIC

Ця стаття показала, що динамічне управління живленням економить заряд акумулятора та забезпечує оптимальну роботу системи, коли пристрій підключено до зовнішнього джерела живлення.

Ви все ще можете використовувати акумулятор як додаткове джерело живлення, якщо системі потрібно більше енергії, ніж може забезпечити зовнішнє джерело. Це означає, що блок живлення можна зменшити, що економить витрати. Він просто повинен мати можливість покривати заряд акумулятора, але не пік попиту на систему одночасно.

Користувачі найновіших PMIC для портативних пристроїв мають усі ці переваги, якщо вони реалізують структуру, як показано вище, на прикладі AS3711. Ця мікросхема пропонує ефективний засіб динамічного адаптування струму зарядки до сучасних вимог системи.

Реалізація динамічного управління струмом за допомогою PMIC також має наступні переваги:

Заощадження місця завдяки збереженню зовнішньої зарядної мікросхеми,
легке управління всіма напругами за допомогою програмного забезпечення, включаючи зарядну напругу,
Спрощений контроль потужності за допомогою PMIC, який контролює вхідну напругу, напругу акумулятора, напругу живлення системи та всі інші напруги, генерує та автоматично обробляє інтелектуальні переривання системи.