Многофункциональный источник питания с резервной батареей и входным напряжением до 60 В на микросхемах LTC3890 и LTC4000

Введение

Компания Linear Technology Corp. предлагает универсальную пару интегральных микросхем в составе DC/DC-преобразователя LTC3890 [1] и контроллера тока заряда батареи LTC4000 [2]. Предлагаемые ИМС позволяют реализовать комплексное решение в части разработки источников питания с резервной аккумуляторной батареей. ИМС LTC3890 представляет собой сдвоенный двухфазный синхронный понижающий DC/DC-преобразователь с двумя независимыми секциями и диапазоном входного напряжения от 4,5 до 60 В (макс. 65 В), обладающий чрезвычайно малым собственным током потребления, который не превышает 50 мкА на секцию (менее 14 мкА при выключении). ИМС LTC4000 — это высоковольтный контроллер заряда батарей с встроенными функциями ее обслуживания, позволяющий в паре с ИМС LTC3890 организовать законченную схему для зарядки и контроля буферных батарей большой удельной емкости и мощности и одновременно питать электронные схемы и устройства заданным значением напряжения с точностью ±2%.

Низкий собственный ток потребления и малое собственное падение напряжения на регулирующем элементе при рабочем цикле до 99% делают ИМС LTC3890 весьма привлекательной для применения в системах с батарейным питанием. Используемые здесь МОП-транзисторы (англ. MOSFET) с управлением логическими уровнями предоставляют возможность уменьшить потери по затвору и повысить общий коэффициент полезного действия такой системы в целом.

Важным свойством ИМС LTC3890 является ее двухфазность, то есть два канала этого сдвоенного преобразователя работают по управлению ключами с переключением, сдвинутым по фазе на 180°. При этом эффективно чередуются импульсы тока выходных ключей преобразователей, значительно сокращая время перекрытия, то есть моменты времени, когда они включены одновременно [1]. В результате мы имеем значительное снижение общего входного тока, который, в свою очередь, позволяет использовать в устройстве менее дорогие входные конденсаторы. Такой подход позволяет использовать входной конденсатор более эффективно, чем в обычных однофазных сдвоенных преобразователях, к тому же снижаются требования по подавлению электромагнитных и радиопомех, улучшается эффективность  работы источника питания в целом, в реальных условиях его применения.

В решении, которое представлено в настоящей статье, одна из секций ИМС LTC3890 предназначена для формирования точного по уровню фиксированного напряжения, которое используется в цепях общего питания конечного изделия. Вторая секция этой ИМС используется как источник тока, необходимого для зарядки аккумуляторной батареи, которая осуществляется под контролем и управлением ИМС LTC4000.

Как уже отмечалось, ИМС LTC4000 является контроллером понижающего DC/DC-преобразователя, как правило предназначенного для работы в качестве источника питания зарядных устройств. Отличие ИМС LTC4000 от других микросхем состоит в том, что она представляет собой полный функциональный контроллер для зарядки и контроля батарей. Кроме этого, ИМС LTC4000 дает возможность ограничить общий входной ток от внешней цепи питания, тем самым уменьшая нагрузку на входные линии. Такая функция становится весьма полезной в случае, когда источник питания должен одновременно дать энергию для заряда аккумулятора и обеспечить необходимую мощность в нагрузке, исключив при этом ложное срабатывание системы защиты и нежелательный разрыв цепи питания предохранителем (если он есть в наличии).

Данное решение может оказаться весьма полезным при разработке компактных источников питания, особенно для обеспечения функционирования изделий в условиях перебоев в электроснабжении. Это решение может быть встроено в системы бесперебойного питания либо использоваться самостоятельно в качестве компактного автономного модуля. Оно может успешно применяться и в производственном оборудовании, системах безопасности, в оборудовании для систем связи или, например, как часть геолого-разведывательного оборудования для добычи нефти и газа. Широкий диапазон входных напряжений и рабочих температур позволяет с успехом использовать данное решение и для автомобильной промышленности в узлах и блоках, размещенных в салоне автомобиля, под торпедо или даже в подкапотном пространстве.

Цель этой статьи — дать практическое описание примера построения источника бесперебойного питания с выходным напряжением в 3,3 В, формируемым из входного напряжения с диапазоном 18–60 В или от резервной аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 14,4 В, которая отдает свою энергию при отсутствии основного питающего напряжения. Кроме перечисленного, блок питания обеспечивает автоматический заряд резервной или буферной батареи при восстановлении питающего напряжения и ограничивает общий входной ток устройства во время включения и в процессе зарядки батареи.

Описание схемного решения

Упрощенная схема предлагаемого решения представлена на рис. 1. Она рассчитана на широкий диапазон входных напряжений от 18 до 60 В. Схема содержит следующие элементы: первый понижающий DC/DC-преобразователь условно высокого напряжения обозначен на схеме как HVDC (англ. HVDC — High Voltage Direct Current) и выполнен на базе одной из секций ИМС LTC3890, зарядное устройство, созданное на ИМС LTC4000, второй выходной понижающий DC/DC-преобразователь условно низкого напряжения, обозначенный на схеме как LVDC (англ. LVDC — Low Voltage Direct Current) и выполненный на еще одной секции преобразователя ИМС LTC3890. Преобразователь HVDC в состоянии обеспечить ток до 10 А в диапазоне выходного напряжения от 15 до 22 В. Зарядное устройство поддерживает максимальный ток (I_ch) заряда в 4 А при конечном напряжении заряда (V_fl) 16,8 В. Выходная секция LVDC предустановлена на ток 2 А напряжением в 3,3 В. В качестве примера резервной батареи выбран литий-ионный аккумулятор NL2044HD22 (Smart Li Ion Battery Pack) [3] со следующими характеристиками: максимальное допустимое напряжение в режиме буфера V_max = 16,8 В, номинальное рабочее напряжение V_nom = 14,4 В, минимальное допустимое напряжение V_cutoff = 9,6 В, емкость батареи 6,6 А·ч.

Рис. 1. Упрощенная схема источника питания с резервированием

Детальная электрическая принципиальная схема устройства, базирующаяся на понижающем импульсном стабилизаторе напряжения LTC3890, представлена на рис. 2. Выход первой секции ИМС LTC3890 управляется посредством контроллера LTC4000. ИМС LTC3890 используется для одновременного обслуживания двух нагрузок: зарядного устройства и секции низкого напряжения LVDC. Управляющий сигнал от ИМС LTC4000 является приоритетным, он устанавливает уровень выходного напряжения первой секции ИМС LTC3890 на уровне, необходимом для обеспечения правильной зарядки резервной аккумуляторной батареи. Уровень напряжения на выходе этой секции не является строго фиксированным, он изменяется в зависимости от времени цикла зарядки аккумулятора. Вторая секция ИМС LTC3890 — это уже упомянутая низковольтная часть LVDC, которая питается от первой секции HVDC и обеспечивает фиксированное постоянное напряжение в 3,3 В для питания конечной нагрузки. Уровень напряжения на этом выходе является строго заданным. Он не зависит ни от основного входного напряжения, ни от процесса зарядки аккумулятора, ни от напряжения на батарее. Достоинством представленного решения следует считать так называемое бесшовное переключение между источниками питания (основным и резервной аккумуляторной батареей), то есть нет временного перерыва между переходом питания на резервную батарею при отключении основного источника питания, как нет разрыва питания при возврате на основной источник. Это весьма полезная функциональная особенность, предотвращающая сбои в работе оборудования, возможные при перерывах в подаче питания, и устраняющая нежелательные переходные процессы, возникающие при переключениях.

Рис. 2. Источник питания с резервированием, схема электрическая принципиальная

ИМС контроллера LTC4000 выполняет следующие функции:

• Обеспечивает полный цикл зарядки батареи, который предусматривает:
• определение текущего состояния батареи;
• генерацию запрограммированного тока заряда с одновременным контролем напряжения на батарее;
• корректное завершение цикла зарядки.
• Функцию входного идеального диода для блокирования обратного тока, протекающего от аккумулятора к понижающему DC/DC-преобразователю.
• Отключение полностью заряженного аккумулятора от источника входного напряжения.
• Ограничение входного тока всей системы на заданном уровне. Эта функция является чрезвычайно важной для систем с предохранителями и автоматическими выключателями.

Обозначение цепей указано в соответствии со схемой отладочного комплекта Demo Circuit 1830A [5], демонстрирующего работу ИМС LTC4000 [4]. Этот комплект был использован для создания прототипа на этапе макетирования схемы, представленной на рис. 2. Ниже дается краткое описание электрических шин и их связь с некоторыми основными компонентами силовых цепей.

V_IN+ — входное напряжение от нерегулируемого источника питания с диапазоном напряжений 18–60 В. Токовый сенсор RS1 определяет ограничение входного тока рассматриваемой системы в целом.

V_IN — входное напряжение секции HVDC (ее выход — это элементы Q3, Q4, L1).

V_OUT — выход секции HVDC и ее подключение к стоку транзистора Q1 (MOSFET с p‑каналом), который под управлением контроллера LTC4000 через контакт IGATE выполняет функцию идеального диода. При пропадании входного напряжения транзистор Q1 выключается и разрывает цепь между секцией HVDC и аккумуляторной батареей. Тем самым исключается путь для обратного тока от батареи в условно высоковольтную секцию.

V_OUT-SYS — эта шина напряжения формируется от истока транзистора Q1 и передает питание на батарею во время ее зарядки, а также на секцию LVDC. Транзистор Q2 (MOSFET с p‑каналом) является внешним мощным транзистором контроллера LTC4000.

Секция LVDC получает напряжение с шины V_OUT-SYS и обеспечивает питание конечной нагрузки, транзисторы Q5, Q6 и дроссель L2 являются выходной частью преобразователя этой секции.

В зависимости от текущей ситуации сдвоенная диодная сборка с общим катодом обеспечивает питание ИМС LTC3890 или от входного напряжения, или от резервной батареи.

Работа схемы

Подача входного напряжения активирует секцию HVDC и зарядное устройство. Если используется опция плавного старта (как это выполнено в схеме на рис. 2), то напряжение на выходе первой секции LTC3890 (шина VOUT) при подаче входного напряжения начинает плавно нарастать. Конечный уровень напряжения секции задается через делитель в цепи обратной связи по выводам VFB2. Максимальное выходное напряжение секции HVDC задается делителем, подключенным к VFB2. Выходное напряжение нарастает до тех пор, пока напряжение на выводе плавного пуска TRACK/SS2 не достигнет уровня в 0,8 В.

Выходное напряжение в установившемся режиме равно:

V_OUT = 0,8×(1+RB/RA),

где RB — это резистор, подключенный между выводом VFB соответствующей секции и общим проводом, а RA — это резистор, подключенный между шиной выходного напряжения и выводом VFB микросхемы. Через вывод TRACK/SS может быть также легко реализовано внешнее отключение (англ. “Shutdown”) и слежение за напряжением еще одного источника питания в режиме “master-slave”. В последнем варианте преимущество по управлению имеет тот из входов TRACK/SS или VFB, напряжение на котором в устоявшемся режиме меньше 0,8 В. Подробнее настройки и предустановки LTC3890 рассмотрены ниже.

Когда процесс включения c плавным стартом завершится, зарядное устройство, выполненное на ИМС LTC4000, будет уже активировано и контроллер начинает контролировать уровни напряжений V_OUT и V_OUT-SYS (рис. 2), осуществляя процесс с помощью собственного входа ITH, который связан с входом ITH2 ИМС LTC3890 (выход усилителя ошибки). Выходное напряжение секции HVDC и, следовательно, соответствующий уровень напряжения в цепи обратной связи на выводе LTC3890 VFB2 должен быть установлен выше, чем напряжение на батарее. Здесь имеется в виду возможный максимальный уровень напряжения на батарее при ее работе в режиме буфера или максимальный уровень напряжения, который рекомендуется изготовителем для полностью заряженной батареи, — другими словами, уровень напряжения, при котором процесс заряда должен быть обязательно остановлен.

Этот подход гарантирует, что при нормальных условиях эксплуатации выходное напряжение контроллера LTC3890 будет всегда находиться под регулировкой от зарядного устройства на контроллере LTC4000. То есть ИМС LTC3890 управляет режимом переключения выходных транзисторов Q3 и Q4 уже не под своим управлением от собственного усилителя ошибки, а под управлением ИМС LTC4000. Это происходит потому, что установка выходного напряжения LTC3890 превышает уровень максимального напряжения батареи (режим буфера), который установлен в LTC4000. Хотя вытекающий ток усилителя ошибки в самой ИМС LCT3890 и пытается увеличить напряжение на выводе ITH2, но ИМС LTC4000, отводя часть этого тока, сохраняет напряжение на выводе ITH2 в заданных уже ею пределах регулирования. Уровень напряжения на батарее в режиме буфера устанавливается с помощью резистивного делителя RB1, RB2.

Если напряжение на батарее падает ниже того, что было установлено для нее в режиме буфера, то ИМС LTC4000 проанализирует это состояние батареи. Если батарея не имеет короткого замыкания и не глубоко разряжена (то есть работоспособна), ИМС LTC4000 обеспечивает подачу на батарею запрограммированного тока заряда. Уровень тока заряда программируется посредством выбора соответствующих номиналов резистора токового сенсора RS2 и резистора RCL. ИМС LTC4000 осуществляет управление током заряда до достижения заданного напряжения на батарее, специфицированного для ее работы в режиме буферной батареи, — 16,8 В. После того как напряжение батареи достигает этого значения, ИМС LTC4000 переводит LTC3890 из режима стабилизации тока в режим стабилизации напряжения. Она удерживает это напряжение на постоянном уровне до полного завершения процесса зарядки батареи. В течение цикла зарядки уровень зарядного тока постепенно уменьшается. На схеме, приведенной на рис. 2, вывод TMR ИМС LTC4000 связан с ее выводом BIAS, это означает, что цикл зарядки будет завершен, когда ток заряда уменьшится до некоторого значения, запрограммированного по выводу CX (об этом далее).

Кроме этого ИМС LTC4000 осуществляет еще и контроль текущего значения входного тока. Если текущий уровень входного тока превышает запрограммированное значение, то LTC4000 снизит зарядный ток, что позволяет нагрузке, подключенной к секции LVDC, функционировать без перерыва. Предел входного тока запрограммирован номиналами резистора токового сенсора RS1 и резистора RIL (RIL — резистор, подключенный к выводу IL, на схеме, приведенной на рис. 2, не используется).

Когда зарядный ток снижается ниже установленного по выводу CX предела, батарея отключается от зарядной цепи и транзистор Q2 (MOSFET с p‑каналом) выключается. В этот момент ИМС LTC4000 устанавливает выходное напряжение секции HVDC выше значения буферного напряжения. Это необходимо для гарантии, чтобы встроенный диод транзистора Q2 имел обратное смещение и был надежно заперт и, следовательно, ток от батареи не поступал ни к выходу секции HVDC, ни к входу секции LVDC.

Описание схемы и установок ее обоих контроллеров

В предлагаемой схеме, как упоминалось, используется аккумулятор NL2044HD22 [2]. Производитель аккумулятора рекомендует эксплуатировать его в режиме буфера при напряжении 16,8 В ±50 мВ и максимальном токе заряда 4 А.

Установки LTC4000

Установка буферного напряжения, вывод BFB. Чтобы обеспечить необходимое буферное напряжение в 16,8 В, номиналы резисторов RB1 и RB2 определены согласно формуле как 499 и 36,5 кОм соответственно:

V_fl = 1,136(1+RB1/RB2) = 1,136 (1+499/36,5) = 16,67 В.

И хотя эта величина напряжения не отвечает в полной мере спецификации [2] (16,8 В ±50 мВ), она для рассматриваемого случая является приемлемой и позволяет избежать применение прецизионного дорого подстроечного резистора. Следует обратить внимание, что во избежание дополнительных погрешностей, связанных с токами по общей шине, нижний резистор делителя должен быть подключен к выводу FBG, который является точкой внутреннего заземления резисторов обоих делителей, подсоединенных к выводам BFB и OFB.

Настройка максимального выходного напряжения секции HVDC осуществляется через вывод OFB. Это напряжение устанавливается на 18 В соответствующим выбором номиналов резисторов RO1 и RO2. В схеме, приведенной на рис. 2, номиналы обоих резисторов выбраны как 499 и 35,7 кОм:

V_OUT = 1,193(1+ RO1/RO2) = 1,193(1+499/35,7) = 17,87 В.

Номинал резистора RS2, подключенного между выводами CSP и CSN, выбран равным 12 мОм, согласно [2] определяется как 50 мВ/RS2. Это позволяет установить ограничение тока заряда на уровне, не превышающем 4,1 А. Для коррекции данного уровня номинал резистора RCL (подключается к выводу CL) выбран равным 19,1 кОм. Резистор, вносящий поправку в значение тока заряда, рассчитывается исходя из условия:

I_ch = 2,5 мкА×(RCL/RS2) = 2,5 мкА×(19,1 кОм/12 мОм) = 3,98 А.

Таким образом, ток заряда аккумулятора не превысит заданный в спецификации на аккумулятор, максимальный ток заряда равен 4 A.

Номинал резистора RS1, который подключен к выводу CLN, выбран 5 мОм. Номинал этого резистора, определяющего максимальный ток, рассчитывается относительно напряжения на выводе IL. В рассматриваемом случае, поскольку этот вывод оставлен свободным, напряжение согласно [2] равно 50 мВ, что позволяет сохранить максимальный ток ограничения на уровне, заданном номиналом резистора RS1, то есть без его дополнительной подстройки в сторону уменьшения. Следовательно, ограничение уровня входного тока остается установленным на уровне 10 A.

Резистор RCX, подключенный к выводу CX, программирует ток завершения заряда аккумулятора, который для рассматриваемого случая выбран равным 0,4 А. С этой целью номинал резистора RCX составляет 21 кОм, для его расчета используется формула:

I_cutoff = (0,25 мкА×RCX–0,5 мВ)/RS2 = (0,25 мкА×21 кОм–0,5 мВ)/12 мОм = 0,396 А.

Как видим, требования по максимальному напряжению на батарее в 16,8 В ±50 мВ и току заряда, равному 4 А, в общем выполнены.

В качестве транзисторов Q1 и Q2 выбраны транзисторы типа Si7135DP (MOSFET с p‑каналом и рабочим напряжением сток-исток 30 В) производства компании VISHEY.

Более подробное описание процесса зарядки, рекомендации по выбору и расчету компонентов схемы можно найти в спецификации LTC4000 [2].

Установки LTC3890

Имеется четыре различные версии ИМС LTC3890. Эти контроллеры дополнительно к основному LTC3890 выпускаются с индексами 1, 2, 3. Отличия этих версий от описываемой в настоящей статье LTC3890-3 указаны в спецификации [1]. Для рассматриваемого схемного решения выбран вариант исполнения LTC3890-3. Причина в следующем — данный вариант ИМС LTC3890 имеет такую особенность, как отсутствие открытого нижнего ключа выходного каскада в случае перенапряжения, что очень важно в решениях с батарейным питанием. Тем не менее может быть использована любая из четырех версий LTC3890, если их конкретные функции необходимы и важны.

Выходное напряжение по выходу VOUT ИМС LTC3890 (это условно входная секция с высоким питающим напряжением — HVDC) устанавливается делителем напряжения на резисторах RF1, RF2.

Так, в соответствии с номиналами элементов (рис. 2) выходное напряжение данной секции без учета ее управления от ИМС LTC4000 равно:

V_OUT = 0,8(1+RF1B/RF2) = 0,8(1+499 кОм/18,7 кОм) = 22,15 В.

Как видим, выходное напряжение фактически установлено на уровне 22 В, однако реально оно никогда не будет подниматься до такой величины. Причина изложена выше при рассмотрении управления LTC3890 от LTC4000 и установок ИМС LTC4000.

Скорость нарастания выходного напряжения, о которой говорилось в начале статьи, задается конденсаторами Css (обозначение по [1]), установленными между выводом TRACK/SS, соответствующим рассматриваемой секции, и общим проводом. В схеме на рис. 2 это конденсаторы емкостью 0,1 мкФ и 10 нФ для первой и второй секций соответственно. Время нарастания рассчитывается как: tss = Css×0,8/1 мкА.

Частота коммутации выбрана равной 200 кГц путем установки резистора номиналом 37,4 кОм к выводу задания частоты FREQ.

Выходное напряжение V_{OUT_LOAD} условно низковольтной секции LVDC задано выбором соответствующих номиналов резистивного делителя ROB, ROT и должно составлять 3,3 В. Выходное напряжение для условно низковольтной LVDC в соответствии с номиналами элементов (рис. 2) равно:

V_{OUT_LOAD} = 0,8(1+ROT/ROB) = 0,8(1 + 499 кОм/158 кОм) = 3,32 В.

В качестве ключей понижающих преобразователей выбраны транзисторы производства компании Renesas Electronic: RJK0651DPB (Q3, Q5) и RJK0652DPB (Q4, Q6).

Для правильного выбора компонентов силовой части ИМС LTC3890-3 можно воспользоваться общей спецификацией [1] и такими инструментами моделирования и разработки, как LTspice IV и LTpowerCAD II от компании Linear Technology, доступными по ссылке [4].

Общий баланс мощности по секции HVDC

Общий баланс мощности секции HVDC (P_HVDC) сочетает мощность, необходимую для зарядки аккумуляторной батареи P_BAT, и мощность, отдаваемую преобразователю условно низкого напряжения LVDC, то есть следует учитывать P_LVDC, V_load, I_load. Мощность, подаваемая на LVDC к нагрузке определяется относительно номинального напряжения батареи V_nom. Если предположить, что это напряжение будет присутствовать при максимальных токе и нагрузке, то общий баланс мощностей равен:

Здесь η_l и η_h — это КПД секций LVDC и HVDC соответственно.

Основные графики, описывающие работу схемы

На рис. 3 показан процесс плавного перехода питания конечной нагрузки с входного напряжения на батарею. Трасса 4 показывает ток батареи. Когда входное напряжение присутствует во время процесса зарядки, аккумулятор потребляет ток. Как только входное напряжение отключается, аккумулятор становится источником (разряжается). Как видно из рис. 3, выходное напряжение секции LVDC, трасса 2, не изменилось и схема уверенно обеспечивает на нагрузке напряжение 3,3 В с током 2 A независимо от источника энергии.

Рис. 3. Диаграмма переключения на резервный источник питания

График КПД представлен на рис. 4. Измерения проводились при постоянном токе заряда 4 A и поддержке напряжения на уровне 16,8 В в условиях естественного охлаждения (без принудительной циркуляцией воздуха). Зарядное устройство демонстрирует очень высокую эффективность на уровне 97%. Изменение тока заряда и напряжения на аккумуляторе во время процесса зарядки представлено на рис. 5.

Рис. 4. Зависимость КПД от входного напряжения в условиях Ich 4 A, воздушное охлаждение

Рис. 5. Зависимость напряжения на батарее (Vbat) и зарядного тока (Ich) от времени заряда

Предложенное схемное решение имеет следующие ограничения:

• МОП-транзисторы (с n‑каналом) могут быть использованы только с логическим уровнем по управлению, другими словами, напряжение отпирания на затворе транзистора равно 5 B.
• Терморезистор может быть использован для прекращения зарядки, если температура батареи превысит допустимую. Терморезистор подключается к выводу NTS LTC4000.
• Напряжение секции LVDC должно быть меньше, чем напряжение аккумуляторной батареи. Чтобы обойти это ограничение, можно использовать топологию схемы типа SEPIC.
• В предлагаем решении используются компоненты широкого применения с минимальными технологическими запасами по рабочим токам и напряжению. Однако разработчики должны выбирать компоненты схемы по их рабочему напряжению и токам на основе своих конкретных требований.

Заключение

ИМС LTC3890 и LTC4000 — это высокотехнологичные контроллеры с высокой степенью интеграции, рассчитанные на большой диапазон входных напряжений. На основе этих двух микросхем может быть разработан многофункциональный источник питания с резервным питанием от батареи. В статье рассмотрена структурная и полная электрическая принципиальная схемы законченного модуля источника питания с резервированием и даны основные необходимые отправные точки для расчета таких источников питания.