CC BY
91241
ХИТ
Автономное питание портативных устройств:
решения от компании Freescale Semiconductor
Алексей РыКОВАНОВ
rycovanalex@yandex.ru
Сергей Беляев
belss751@rambler.ru
Вопросы, связанные с обеспечением автономным питанием портативных устройств, часто находятся в самом конце списка решаемых разработчиками задач. Не всегда удается предусмотреть все тонкости эксплуатации тех или иных типов аккумуляторов. Однако на рынке представлены уже готовые решения, облегчающие разработку конечного устройства. В статье рассказано о решениях от компании Freescale Semiconductor.
Сегодня для питания портативных устройств широко используются литий-ионные аккумуляторы. Их высокие удельные и эксплуатационные характеристики позволяют применять их внутри прибора во время всего его жизненного цикла, без замены или изъятия. Для небольших устройств обычно предназначены аккумуляторы емкостью от 1 до 5 А-ч (иногда и более) в ламинированном (бескорпусном) исполнении. На рис. 1 показан тестер технологического оборудования в разобранном виде.
Представленное устройство может питаться от оборудования, к которому оно подключено, однако оно имеет и собственный гель-полимерный литий-ионный аккумулятор, находящийся внутри, и может работать автономно без внешнего питания (аккумулятор приклеивается к дну устройства и прижимается основной платой сверху через прокладку). Одна из особенностей эксплуатации литий-ионных аккумуляторов — необходимость обеспечения режимов заряда, представленных на рис. 2.
Классический способ заряда литий-ионного аккумулятора делится на два этапа. Первый — заряд постоянным током (I этап), второй — заряд при постоянном напряжении (II этап). Дополнительно показан этап I', он применяется, когда напряжение на аккумуляторе ниже некоторого установленного значения (например, 2,7 В). При долгом хранении вследствие саморазряда и/или потребления системы обеспечения функционирования (СОФ) напряжение на аккумуляторе может упасть ниже указанного значения. Малый ток заряда обеспечивает постепенный, «мягкий» выход активных электродных материалов на заданные уровни напряжения, при которых они штатно функционируют, после чего включается основной ток заряда.
Рис. 1. Гель-полимерный литий-ионный аккумулятор в составе портативного устройства
Рис. 2. Режимы заряда литий-ионного аккумулятора
Разработка решений, необходимых для поддержания подобных режимов с нуля, иногда вызывает затруднения у специалистов в связи с некоторой сложностью реализации. Ведь требуется не только управлять током заряда, но и следить за напряжением на аккумуляторе. Однако функционирование всех нужных режимов можно обеспечить всего одной микросхемой компании Freescale Semiconductor, серии МС3467х в корпусе 2х3UDFN с восемью выводами [1, 2]. Располагается микросхема непосредственно в устройстве, где применяется аккумулятор. При этом расширяется возможность заряда аккумулятора от различных источников питания, таких как USB-порт или различные сетевые адаптеры (в зависимости от тока заряда). Дополнительное внешнее зарядное устройство, которым необходимо комплектовать прибор, просто не нужно, достаточно воспользоваться стандартными решениями, широко представленными на рынке, что снизит время разработки и цену конечного изделия.
Микросхемы данной серии предназначены для заряда аккумуляторов с положительным электродом из кобальтата лития. Данные аккумуляторы широко используются для питания сотовых телефонов и других мобильных приложений и имеют конечное зарядное напряжение 4,2-4,25 В. Общим для микросхем МС3467х является:
• защита от высокого входного напряжения, до 28 В;
• защита от перегрева микросхемы;
• температурный диапазон -40.. .+85 °C;
• заряд полностью разряженных аккумуляторов;
• высокая стабильность поддержания выходного напряжения (не хуже ±0,7% в температурном диапазоне от -20 до +70 °C);
• высокая стабильность поддержания выходного тока заряда (не хуже ±5% в температурном диапазоне от -40 до +85 °C);
• малый ток утечки от батареи, при отсутствующем напряжении на входе микросхемы или при «лог. 1» на входе Enable — 1 мкА. Отличие микросхем заключается в рабочем входном напряжении, токе заряда, назначении выводов (таблица).
Если входное напряжение выше максимального, микросхема отключается от источника и заряд прекращается. Это позволяет не только избежать перегрева микросхемы при подключении нештатного источника питания, но и не использовать дополнительных элементов защиты в случае каких-либо выбросов напряжения внутри прибора. Все выводы индикации имеют выход с открытым стоком и могут подключаться как на свето-диод, так и на резистор для последующего вывода информации в микроконтроллер прибора.
Вывод «Статус заряда» (CHG) показывает, что идет заряд и аккумулятор заряжается. Вывод «Статус входного источника» (PPR) указывает, что входное напряжение в норме.
ХИТ I 125
Таблица. Основные характеристики микросхем серии МС3467х
Микросхема Входное напряжение (max), В Ток заряда, мА Контроль температуры аккумулятора Индикация
МС34671 10 50-600 (устанавливается внешним резистором) - - статус заряда - статус входного источника - статус быстрого заряда
МС34673 6,6 50-1200 (устанавливается внешним резистором) - - статус заряда - статус входного источника - статус быстрого заряда
МС34674 10 1050(индекс А) 850 (индекс В) 650(индекс С) 450(индекс D) Внешним NTC-резистором - статус заряда
МС34675 6,6 50-1000 (устанавливается внешним резистором) - - статус заряда - статус входного источника
Вывод «Быстрого заряда» (FAST) показывает, что идет фаза заряда установленным током, заряд постоянным током (I этап, рис. 2). В микросхеме МС34674 индикаторы отображают только статус заряда (идет заряд, аккумулятор заряжен). В качестве примера на рис. 3 показаны схема включения и структурная схема МС34673. Все необходимое для работы имеется внутри микросхемы, поэтому требуется минимум внешних элементов,
таких как фильтрующие конденсаторы и резистор установки тока заряда.
Микросхема МС34674 имеет возможность подключения внешнего термистора для контроля температуры аккумулятора. Если приложение оснащено съемным блоком, то в него должен быть интегрирован датчик температуры (ЭТС-резистор). В противном случае датчик устанавливают непосредственно на аккумулятор, например между токо-
Вход-
1 мкФ -,-
5,23 кОм
VIN ВАТ
GND
ISET
CHG
PPR
FAST
EN
GND
Рис. 3. Схема включения и структурная схема микросхемы МС34673
1261
ХИТ
Заряд 'load
а малым Постоянный >|
током ток Постоянное напряжение
FAS1
►Время
Рис. 4. Режимы заряда литий-ионного аккумулятора микросхемы МС34673
выводами на корпус. Контроль температуры необходим при быстром заряде при токах 0,5Сн и более, чтобы избежать разгерметизации аккумулятора и выхода его из строя. В некоторых случаях контроль температуры нужен для приложений, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, предполагающих как нагрев рабочих элементов прибора, так и повышенную температуру окружающей среды. В любом случае при повышении температуры кристалла микросхемы и/или превышении температуры на внешнем датчике (для МС34674) зарядный ток будет уменьшаться, что определено логикой работы микросхем серии МС3467х. Контроль температуры повышает надежность функционирования всего приложения.
Ток заряда аккумулятора выбирают из расчета его емкости (номинального значения), обычно он находится в пределах 0,2-0,5Сн, что соответствует 5-2-часовому режиму заряда. То есть если ток заряда равен 1,2 А, то при 5-часовом режиме заряда емкость аккумулятора составит 6 А-ч (1,2x5), этого более чем достаточно для большинства портативных приложений. Потребительские качества прибора определяются, в частности, и временем заряда — чем оно меньше, тем более мобильным становится портативное приложение. Однако сокращать время заряда, то есть увеличивать зарядный ток (относительно емкости используемого аккумулятора) выше указанных значений не рекомендуется. В любом случает при выборе аккумулятора необходимо внимательно ознакомиться с рекомендациями производителя.
Микросхема отслеживает разницу между входным напряжением и напряжением батареи. Входное напряжение должно быть выше, чем напряжение на аккумуляторе. Если входное напряжение падает ниже напряжения аккумулятора, происходит отключение зарядного устройства для предотвращения тока утечки от батареи в зарядное устройство.
Процесс заряда будет происходить при условии, что на входе EN присутствует низкий логический уровень, а входное напряжение как минимум больше напряжения аккумулятора на 60 мВ и находится в пределах от 3 до 6,6 В (для МС34673). Причем если напряжение на аккумуляторе ниже 2,7 В, то заряд начинается с фазы I' (рис. 2) малым током (обычно в 4-5 раз меньше установленного тока заряда). При достижении напряжения выше 2,7 В включается режим заряда постоянным током, величина которого задается внешним резистором Riset. При достижении конечного напряжения заряда — 4,2 В — напряжение на выходе микросхемы стабилизируется и более не возрастает, при этом ток заряда постепенно начинает падать (рис. 2, II этап). Как только ток упадет ниже порогового значения 1Е0С (45 мА для МС34673), микросхема отключит индикатор процесса заряда. Внешнее питание можно
отключить, вытащив адаптер из розетки. Если этого не сделать, микросхема продолжает поддерживать выходное напряжение на уровне 4,2 В, питая малым током приложение пользователя. Если наступает режим потребления тока, больше чем отдает микросхема, в этом случае энергия начинает поступать от аккумулятора, а напряжение на нем падает. Как только напряжение снижается на 100 мВ относительно уровня 4,2 В, наступает режим заряда постоянным током, то есть максимальным током отдачи зарядного устройства, до тех пор пока напряжение не станет прежним. Режим работы микросхемы МС34673 показан на рис. 4.
При выборе микросхемы из серии МС3467х необходимо обратить внимание на входное напряжение. Чем оно выше, тем больший спектр адаптеров или устройств для заряда аккумулятора можно применить. Большое внимание следует уделить и вопросу отвода тепла от микросхемы, для чего необходимо ознакомиться с рекомендациями производителя.
Компания Freescale Semiconductor предлагает не только решения для заряда одного литий-ионного аккумулятора, но и для построения батарей на их основе. В составе батареи может находиться несколько последовательно соединенных аккумуляторов. На сегодня среди предлагаемых компанией Freescale Semiconductor решений для мониторинга состояния батарей наиболее развитой в функциональном плане является микросхема MM9Z1_638. Фактически в корпусе данной микросхемы совмещены два относительно независимых блока — аналоговый, выполняющий функции прецизионного мониторинга критических параметров батареи, и цифровой, представляющий собой специальный 32-битный микроконтроллер с ядром S12Z, предназначенный для решения задач цифровой обработки информации, выдачи управляющих сигналов и обмена информацией с другими системами. Данное решение
наилучшим образом подходит для работы в составе батарей относительно невысокого напряжения (до 48 В), применяемых в портативных и транспортных приложениях.
Микросхема MM9Z1_638 имеет множество особенностей, позволяющих ей выделиться на фоне устройств, имеющих подобное назначение. В частности, для измерения параметров контролируемой батареи применяются 16-битные сигма-дельта анало-гово-цифровые преобразователи, что с избытком перекрывает самые требовательные запросы по точности в подобных приложениях. Измерение тока заряда и разряда выполняется посредством автоматически подстраиваемого операционного усилителя, что позволяет получить достаточно широкий диапазон измерений (до ±2000 А на сенсорном резисторе в 100 мкОм). Также микросхема имеет несколько конфигурируемых входов для точного измерения напряжения и температуры. Четыре измерительных вывода снабжены встроенными резисторными делителями напряжения, что позволяет напрямую измерять напряжения до 52 В относительно общего провода.
Немаловажной особенностью является набор внешних интерфейсов рассматриваемой микросхемы, включающий LIN 2.0/2.1, SPI (master/slave), Scalable CAN, благодаря чему ее легко интегрировать в разнообразные системы мониторинга и управления. Следует заметить, что модули интерфейсов LIN и SPI реализуют в том числе и физический уровень канала передачи данных, что позволяет сопрягать микросхему MM9Z1_638 с другими системами непосредственно через ее выводы, тогда как модуль Scalable CAN требует применения дополнительной интерфейсной микросхемы. После того как реализованы основные функции мониторинга состояния батареи, у пользователя остается еще полдюжины вводов/выводов общего назначения, с помощью которых можно управлять средствами защиты батареи (например, комму-
ХИТ
127
MM9Z1 638
1
VSUP
VSENSE3
VSENSE2
VDDA
РТВ2 LIN
РТВ5
РТВ1
VDDX
VSENSE1 РАО
VSENSE0 TxD
RxD
ISENSEH PTB4
ISENSEL
GNDs
К шине LIN
2
1
EN VDD Микросхема интерфейса RX CAN CANL CANH
т
о <>
К шине CAN
Рис. 5. Мониторинг батареи из четырех последовательно соединенных ячеек
таторами), контролировать дополнительные специфичные для конкретного приложения параметры или применять для других нужд. Для облегчения процесса разработки предусмотрен интерфейс внутрисхемной отладки, а также встроенный отладочный модуль с широким функционалом.
Питание систем микросхемы MM9Z1_638 осуществляется от внутреннего регулятора, на вход которого можно подавать напряжение от 3,5 до 28 В, поэтому зачастую ее можно питать непосредственно от батареи, которую она обслуживает. Как и все микросхемы подобного назначения, MM9Z1_638 имеет достаточно небольшое энергопотребление — до 40 мА в активном режиме, а также ряд энергосберегающих режимов, помогающих снизить потребление до величины порядка 100 мкА. Гибкое применение этих режимов и возможность отключения неиспользуемых периферийных модулей позволяет экономить заряд батареи как в режиме хранения, так и во время разряда
на нагрузку. В частности, соответствующим образом настроенные периферийные модули способны выполнять свои функции автоматически без участия ЦПУ или даже цифрового блока в целом. Поэтому нет необходимости постоянно поддерживать все части микросхемы в рабочем состоянии. Выход из режима пониженного энергопотребления производится по сигналу какого-либо периферийного модуля. Например, такой сигнал может быть сгенерирован по факту превышения заранее настроенного значения тока заряда или разряда, по переполнению таймера, при получении данных одним из коммуникационных интерфейсов и т. д.
На рис. 5 приведена типовая схема включения микросхемы MM9Z1_638 (активированы только основные ее функциональные возможности, неиспользуемые выводы микросхемы не обозначены). В данном случае выполняется мониторинг состояния батареи из четырех ячеек (например, ли-
тий-ионных аккумуляторов). С помощью выводов VSENSEx (со встроенными рези-сторными делителями) измеряется напряжение на перемычках между ячейками относительно общего провода, что позволяет определить напряжение на каждой ячейке в отдельности. Выводы ISENSEL(-H) предназначены для измерения тока заряда/разряда батареи с помощью сенсорного резистора. Выводы PTBx подключены к измерителю (вывод PTB5 внутренними ключами микросхемы подведен к общему проводу) для контроля напряжения на терморезисторах (T°), запитанных от вывода VDDA (вывод встроенного слаботочного регулятора напряжения). Связь с внешними системами обеспечивается по интерфейсам LIN и CAN через соответствующие группы выводов. Питание микросхемы заведено на вывод VSUP непосредственно от контролируемой батареи.
Таким образом, благодаря удачно подобранному оснащению микросхемы MM9Z1_638 на ее основе можно разработать эффективную систему мониторинга состояния батареи, которая может быть как интегрированной в некоторую более сложную систему, так и работающей независимо.
Проектирование систем питания для портативных устройств может представлять некоторые сложности для разработчиков. Компания Freescale Semiconductor предоставляет надежные и компактные решения с широким функционалом, удовлетворяющие современным требованиям. Применение микросхем данной компании способствует снижению затрат времени и ресурсов на проектирование подобных приложений. ■
литература
1. www.freescale.com
2. Румянцев А., Рыкованов А. Способы заряда
Li-ion-аккумуляторов и батарей на их основе //
Компоненты и технологии. 2012. № 11.
новости
блоки питания
Новое конструктивное исполнение
АС/РС-преобразователей
серий AMEL-MAZ и AMEL-AZ от А^ес
для установки на шасси
Компания А1т1ес предлагает новые возможности применения АС/РС-преобразователей серий АМЕ1_-МА7 и АМЕ1_-А7 мощностью от 5 до 20 Вт,
которые ранее можно было установить только на плату. Теперь производитель предоставляет еще одно конструктивное исполнение — для установки на шасси. В новой модификации (к наименованию добавляется суффикс «-БТ»), модуль расположен на специальной диэлектри-
ческой площадке с контактными колодками для крепления проводов под винт. Это позволяет легко подключать источники без пайки. Для крепления на шасси площадка имеет четыре отверстия.
www.eltech.spb.ru
компоненты и технологии • № 7 '2014 www.kit-e.ru
