Некоторые аспекты зарядки аккумуляторов энергоемких переносных устройств

Введение

Сотовые телефоны являются хорошим примером того, насколько значительно за последние десятилетия улучшились их функциональные возможности и эксплуатационные характеристики. Устройства стали сложнее и, подобно любому компьютеру, теперь способны решать множество базовых задач. Дополнительный функционал, превративший смартфон из простого телефона в многофункциональный гаджет, делает его как никогда энергозатратным.

Внутренний блок аккумуляторов — это основной источник, в котором энергия хранится и откуда она поступает в электрические цепи переносного устройства. За безопасную и эффективную зарядку аккумуляторов отвечают микросхемы зарядников. Они также должны контролировать подачу питания в систему для поддержания нормальной работы, когда устройство подключено к розетке электросети. От аккумуляторного блока требуется хранить большое количество энергии, быстро заряжаться и при этом оставаться легким и компактным. Увеличившиеся зарядные и разрядные токи, а также меньший физический размер делают эти блоки менее стойкими к физическим и тепловым нагрузкам. Поэтому сегодня от таких приборов требуется, чтобы они работали не только как простое автономное зарядное устройство.

Обзор решений для зарядки одноэлементных аккумуляторов

Перезаряжаемые аккумуляторы жизненно необходимы переносным электронным устройствам, таким как сотовые телефоны и другая носимая электроника. Схемы зарядных устройств необходимо тщательно проектировать, а их структура в значительной степени зависит от следующих факторов: химические процессы в аккумуляторе, уровни мощности и нагрузка системы. Разные химические процессы в аккумуляторах предусматривают разные способы зарядки. Требования к питанию системы напрямую влияют на размер и стоимость подобной системы. Наконец, в ее питании следует учитывать и то, должна ли система управлять направлениями потоков мощности, или нет.

Для многих переносных прикладных систем литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы становятся тем вариантом, на котором по ряду причин разработчики останавливают свой выбор. Данные источники питания обеспечивают высокое отношение емкости к размеру и весу и имеют низкий ток саморазряда. Кроме того, отличаются высоким напряжением (обычно 3,6 В), что позволяет использовать аккумуляторы, состоящие всего из одного элемента. Несмотря на все эти преимущества, литий-ионные аккумуляторы не обладают стойкостью к перегрузкам. Они требуют учета многих особых аспектов, касающихся зарядного тока, регулирования напряжения, режима непрерывного подзаряда, контроля температуры и так далее.

Существует два основных типа зарядных устройств: линейные и импульсные. Импульсная зарядка сводит к минимуму рассеивание мощности в широком диапазоне напряжений адаптеров переменного тока, но предполагает больше места на плате и усложняет устройство. К тому же импульсные решения обычно дороже, чем эквивалентные линейные системы.

Линейные зарядные устройства компактнее и лучше для оборудования, чувствительного к шумам. Но они не столь эффективны на протяжении всего цикла зарядки, как их импульсные аналоги. Выбирая способ зарядки, разработчик принимает решение, исходя из себестоимости, занимаемого места, количества необходимых дополнительных элементов схемы и эффективности (теплового режима).

Разнообразие требований к системам приводит к появлению множества разных решений для зарядных устройств аккумуляторов: от простого автономного до встроенного зарядного устройства, обеспечивающего и питание системы. Поэтому при проектировании системы разработчикам приходится соблюдать следующие условия:

• необходимость динамического управления потоком мощности (ДУПМ), которое гарантирует мгновенное включение системы при разрядке или отсоединении аккумулятора.
• низкое сопротивление R_{сток-исток(вкл.)} полевых транзисторов как в тракте аккумулятора, так и в тракте системы, чтобы гарантировать приемлемый общий КПД системы и тепловую защиту.
• высокий зарядный ток для поддержки аккумуляторов с высокой емкостью и ускорения зарядки;
• динамическое управление питанием (ДУП) по входному напряжению, которое поддерживает ограничение тока, обусловленное характеристиками адаптеров и/или USB-портов.

Компактные зарядные устройства одноэлементных аккумуляторов

Требования к питанию (ограничение, обусловленное адаптером)

В настоящее время большинство адаптеров смартфонов рассчитано на максимальную выходную мощность 5–10 Вт. На рис. 1 показана входная мощность, которая требуется от USB-порта или адаптера для различных уровней зарядного тока. Для зарядного тока 1,5 А необходимая мощность увеличивается линейно на 3– 5 Вт по мере возрастания напряжения аккумулятора от 3 В до напряжения полного заряда. Для зарядного тока 3 А следует подавать до 12 Вт со входа в течение цикла зарядки. При таком сценарии, в зависимости от состояния заряда аккумулятора, 5- или 10-Вт адаптер может выйти из строя, и система откажет. Чтобы этого не произошло, зарядное устройство должно иметь какую-либо защиту для снижения мощности, потребляемой со входа.

Рис. 1. Входная мощность, которая требуется для различных зарядных токов

Зарядное устройство аккумуляторов, например bq24250 производства Texas Instruments, имеет функцию динамического управления питанием (ДУП), контролирующую входное напряжение (V_{ВХ_ДУП}). Во время обычного процесса зарядки, если источник входного питания не способен поддерживать запрограммированный или принятый по умолчанию зарядный ток, входное напряжение уменьшается. Если входное напряжение падает до порогового значения V_{ВХ_ДУП}, заданного разработчиком, зарядный ток снижается. Это ограничивает мощность, потребляемую от входного источника питания, и предотвращает дальнейшее падение входного напряжения. Данная функция обеспечивает совместимость микросхем с адаптерами, которые имеют разные возможности с точки зрения выдаваемых токов, без какого-либо изменения аппаратной части.

Время зарядки

Как известно, время зарядки зависит от емкости аккумулятора и скорости зарядки. Самый простой способ сократить данную процедуру — заряжать быстрее. Но зарядка аккумулятора, уже имеющего более 80% от полной емкости (0,8  C), создает перегрузку источника питания. Это уменьшает его срок службы, может привести к повреждениям аккумуляторного блока и вызвать катастрофические последствия. Корпорация TI оптимизировала циклы зарядки по времени с целью сокращения периода зарядки (для данной скорости заряда) в сравнении с другими решениями.

Цикл зарядки литий-ионных аккумуляторов в основном состоит из трех этапов: предварительная зарядка (непрерывная подзарядка), быстрая зарядка (с постоянным значением тока) и зарядка падающим током (при постоянном напряжении). Во многих импульсных зарядных устройствах переход от одного этапа к другому не идеален. На рис. 2 показан переход от этапа зарядки с постоянным значением тока к этапу с постоянным напряжением в традиционной схеме зарядного устройства. И для напряжения, и для тока переход не является резким. Такая динамика вызывает потери как времени, так и мощности в течение цикла зарядки.

Рис. 2. Цикл зарядки традиционного зарядного устройства без применения технологии оптимизации времени зарядки

Зарядное устройство литий-ионных аккумуляторов корпорации TI [4–7] улучшает этот переход с помощью технологии оптимизации времени зарядки. На рис. 3 отображен цикл зарядки того же аккумулятора при тех же условиях зарядки, что и на рис. 2.

Рис. 3. Оптимизированный по времени цикл зарядки для импульсного зарядного устройства литий-ионных аккумулляторов

Время зарядки сократилось более чем на 15%. Данный переход в новом зарядном устройстве намного резче, что увеличивает продолжительность этапа быстрой зарядки (с постоянным током) перед переходом к этапу зарядки падающим током (с постоянным напряжением). В результате при высокой скорости зарядки в аккумулятор попадает больший заряд, за счет чего уменьшается время зарядки без увеличения скорости заряда.

Размер платы и стоимость материалов и комплектующих

При более высоких скоростях зарядки линейные зарядные устройства теряют свою привлекательность. Их меньший КПД в течение данного цикла увеличивает тепловую нагрузку на систему. Это особенно актуально для плат, имеющих ограничения по размерам, а также для энергоемких систем. Все это диктует необходимость создания полностью интегрированного импульсного зарядного устройства.

Такие поставщики компонентов, как Texas Instruments, создают инновационные решения, чтобы удовлетворить потребность рынка в снижении стоимости комплектующих и материалов и уменьшении размеров платы, не принося в жертву эксплуатационные характеристики устройства. Например, bq24250 — высокоинтегрированная микросхема зарядного устройства для одноэлементных литий-ионных аккумуляторов и управления потоками мощности в системе, рассчитанная на применение в переносных устройствах, имеющих ограничения по размеру, но с аккумуляторами высокой емкости. На рис. 4 показан ряд решений с реальными размерами площади, занимаемой ими. В частности, семейство зарядных устройств bq2425x может обеспечить зарядный ток до 2 A, минимум внешних комплектующих изделий и занимаемую площадь 42 мм².

Рис. 4. Площадь, занимаемая зарядным устройством с ДУПМ, при применении в различных системах

Тепловые характеристики и КПД

Уменьшение площади, занимаемой зарядным устройством, влияет на тепловые характеристики всей платы. Меньшая площадь приводит к сокращению пространства для отвода тепла, выделяющегося при рассеивании мощности в ходе зарядки. При данной площади платы единственным способом снижения тепловой нагрузки становится повышение КПД зарядного устройства в процессе преобразования энергии. Более высокий КПД означает меньшее рассеивание мощности. Таким образом, микросхема и плата выделяют меньше тепла.

Сравнение рассеивания мощности линейных и импульсных зарядных устройств в энергоемких системах показывает, что линейное зарядное устройство проигрывает импульсному, поскольку его рассеиваемая мощность может быть очень высока, особенно при низких напряжениях аккумулятора. Это происходит потому, что в линейных зарядных устройствах для преобразования энергии используется линейный регулятор. Одновременно импульсная зарядка гораздо эффективнее во всем диапазоне напряжения аккумулятора и дает меньшее рассеивание мощности. На рис. 5 проиллюстрировано сравнение линейных и импульсных зарядных устройств с точки зрения рассеивания мощности.

Рис. 5. Сравнение рассеивания мощности линейного и импульсного зарядных устройств

Выбор между импульсным и линейным зарядным устройством в пользу импульсного логичен в отношении совершенствования тепловых характеристик платы. Снижение R_{СТОК-ИСТОКS(вкл.)} встроенного полевого транзистора в импульсном зарядном устройстве помогает повысить КПД зарядного устройства при высоких токах. Это объясняется тем, что большую часть рассеивания мощности импульсного зарядного устройства при высоких токах вызывает именно сопротивление транзистора. Зарядное устройство литий-ионных аккумуляторов bq24250 имеет встроенные силовые полевые транзисторы с низким R_{СТОК-ИСТОК(вкл.)}. Внутренние МОП-транзисторы на стороне высокого и низкого напряжения обладают сопротивлением всего 100 мОм каждый.

Это помогает уменьшить рассеивание мощности между входом и выходом системы. R_{СТОК-ИСТОК(вкл.)}ключа на полевых транзисторах, подсоединяемого к аккумулятору, составляет лишь 20 мОм, что также снижает потери во время зарядки и разрядки аккумулятора. На рис. 6 представлены данные по КПД системы для зарядного устройства bq24250, достигающего 95%.

Рис. 6. КПД системы зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов bq24250 — регулирование напряжения 4,2 В

Защита аккумулятора и увеличение срока его службы

Главной проблемой энергоемких переносных электронных устройств остается срок службы аккумулятора. Уменьшение емкости аккумулятора со временем сильно влияет на восприятие устройства пользователем, поскольку сокращает время работы от источника питания. Основной путь увеличения срока службы аккумулятора — снижение нагрузки, которую он испытывает при зарядке и разрядке. Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перегрузкам, создаваемым чрезмерными токами и напряжениями.

Такие микросхемы зарядных устройств для аккумуляторов, как bq24250, способны регулировать напряжение аккумулятора с точностью ±0,5% при комнатной температуре. Для зарядного тока эта микросхема обеспечивает точность ±0,75% при силе зарядного тока до 2 А в диапазоне температур 0…+125 °C. Это позволяет разработчикам точно программировать уровень напряжения и тока согласно потребностям системы. При подобной точности параметров зарядки аккумуляторы можно заряжать «агрессивнее», без сокращения срока их службы. Соответственно, время зарядки сокращается, а зарядка остается безопасной.

На рис. 7 показана точность трех зарядных токов в диапазоне температур 0…+125 °C. Для зарядных токов до 1,5 A точность составляет 2% от типового значения, указываемого в технической спецификации.

Рис. 7. Зависимость зарядного тока от температуры

Режим отключения от системы (SYSOFF)

Во время перевозки и предпродажного хранения аккумулятор должен быть отключен от остальной системы, чтобы не допустить его истощения. Зарядное устройство для аккумуляторов bq24250 имеет режим SYSOFF, который можно настроить на выключение аккумуляторного полевого транзистора и отсоединение аккумулятора от системы. Когда используется режим SYSOFF, ток утечки от аккумулятора в микросхему снижается  менее чем до 1 мкА (рис. 8). Разработчик программирует систему на автоматический выход из режима SYSOFF, когда конечный пользователь подключает к зарядному устройству источник питания.

Рис. 8. Ток утечки аккумулятора в режиме SYSOFF

Функциональная гибкость

На современном рынке с его острой конкуренцией большинство производителей постоянно стремятся снизить стоимость, что может принести более высокие прибыли и укрепить позиции игроков в конкурентной среде. Способность переориентировать одну и ту же микросхему на использование в различных изделиях или в нескольких поколениях продуктов дает прямую экономию при разработках различных систем. Это сокращает и период освоения новых систем и снимает ненужный риск за счет применения уже известного работающего решения.

Рынок требует семейства зарядных устройств для аккумуляторов, которые объединяют функциональные возможности, позволяющие применять их в различных системах. Одним из примеров является зарядное устройство с широким диапазоном входного напряжения, предназначенное для широкой линейки адаптеров, что сокращает стоимость комплектующих. Универсальность с точки зрения зарядных токов может обеспечить поддержку более высокого тока для эксплуатации в таких устройствах, как смартфоны и дополнительные внешние аккумуляторы (PowerBank), или для низкоуровневой зарядки, например, в гарнитурах Bluetooth.

Обычно зарядные устройства имеют микросхемы с одной из двух схем управления: со связью по шине I²C или автономную схему. Таким образом, можно настраивать систему в соответствии с потребностями. В режиме связи по шине I²C специалисты программируют различные параметры — порог VВХ_ДУП, зарядный ток, ограничение входного тока, напряжение регулирования и уровень отключения. При работе автономной схемы, когда управление со стороны главной системы не используется, разработчики применяют внешние элементы для настройки, чтобы программировать вышеуказанные параметры и задействовать внешние выводы микросхемы для выбора различных уровней ограничения входного тока и включения/отключения микросхемы.

Совместимая со спецификацией BC1.2 функция определения состояния линий D+/D– интерфейса USB обеспечивает большую гибкость, позволяя организовать более надежную зарядку по каналам USB. В прошлом USB-зарядка осуществлялась весьма незатейливо, когда устройство получало энергию непосредственно от порта USB в аккумулятор при минимальном управлении. В современных энергоемких системах устройствам требуется намного больше энергии от USB-порта, что приводит к внедрению более сложных стандартов и протоколов. Более того, если обычной является ситуация, когда в одном и том же разъеме USB реализованы различные стандарты USB, способность распознавать тип подключенного устройства оказывается очень полезной функцией, повышающей конкурентоспособность разработок.

Заключение

Существует много вариантов зарядки энергоемких переносных гаджетов. Доступные в настоящее время микросхемы для зарядных устройств, которые поддерживают управление потоком мощности и высокие зарядные токи при улучшенном КПД, могут сократить время заряда, тепловые нагрузки и физические размеры решения. Низкая стоимость комплектующих изделий и материалов, а также малый размер решения снижают себестоимость устройств, но не за счет увеличения размеров или урезания функциональных возможностей.