Vítejte, dnes je
pátek
17.
květen
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
Porty USB-C se u spotřebních zařízení stávají zcela běžnou záležitostí, protože nabídnou mnohem větší flexibilitu než předchozí řešení. Na popularitě zde také získávají rostoucí výkony a delší výdrž baterie. Potřeba nabíjet zmíněná zařízení s vyššími úrovněmi výkonu je proto nyní stále důležitější. V článku se zaměříme na základy paralelního nabíjení baterií, možné způsoby využití a také vliv, který zde bude mít použití USB-C. Věnovat se budeme i zapojení, výhodám, ale také nedostatkům paralelního nabíjení baterií přes USB-C řešeného ve spotřební oblasti.
Paralelní nabíjení baterií. Co to obnáší?
V systémech řízení baterií existuje několik způsobů, jak vyřešit konfiguraci zdrojů tak, abychom dosáhli rozdílných výsledků. Jednou se články zapojí do série, což poskytuje vyšší napětí, ale stejnou kapacitu baterie, takže se řešení zpravidla použije v zapojeních s rostoucím výkonem. Jinou možností bude spojit články paralelně, což představuje vyšší kapacitu, nicméně napětí zůstává stejné.
Když už je výdrž baterie ve spotřební elektronice tak důležitá, musí být výrobci vynalézaví, pokud u takové sady řeší hospodaření s energií, včetně rostoucí využitelné kapacity. Nejlepší způsob, jak dosáhnout jednoduchého řešení k zajištění větší výdrže baterie, vede přes paralelní nabíjení. Jednoduše řečeno, paralelní nabíjení baterií umožňuje obsluze najednou nabíjet jejich větší počet. Pro uživatele to bude znamenat delší výdrž zdroje a také zvýšenou spolehlivost. Základní představu o běžně používaném sériovém a také paralelním způsobu řazení baterií si můžeme udělat díky obr. 1.
Obr. 1 Sériové a také paralelní spojování baterií
Současné paralelní nabíjení baterií a otázka USB-C
Jak jsme již uvedli, s porty USB-C a také příslušnými zařízeními se pojí schopnost nabíjení vyššími úrovněmi výkonu, budeme-li srovnávat s předchozími protějšky, jako je USB 2.0 a USB 3.0. Nejnovější verze specifikace USB-C, Power Delivery 3.1, může přitom dodat až 240 wattů. Pravda, pro většinu spotřebních produktů to může být až příliš mnoho, jenže my tím chceme spíše zdůraznit, jak moc vzrostla robustnost portů USB-C oproti předchozím generacím USB.
Takové navýšení výkonu, které máme u portů USB-C k dispozici, jde ruku v ruce s požadavky zákazníků na rostoucí výkony a také delší výdrž baterie, které zařízení s paralelně řazenými články rovněž naplňují. Když kapacita spotřebního zařízení díky paralelnímu řazení baterií poroste, učiní tak stejně i výkonové požadavky kladené na nabíječku dodávající zde energii. Smyslem celého podnikání je navíc umožnit uživatelům přístup k danému zařízení v maximální možné míře. Rostoucí výkon dodávaný porty USB-C znamená, že obsluha nabije své zařízení rychleji, než tomu bylo v minulosti, a věc bude také možné déle, svobodně a dle libosti používat bez nutnosti připojit nabíjecí kabel.
Výhody, ale i stinné stránky
Paralelní nabíjení baterií přes rozhraní USB-C si již našlo svou cestu ke spoustě aplikací a ve světě spotřební elektroniky bude sílit i nadále. Pokud jde o výkon, cenu a jednoduchost, budou porty a také kabely USB-C pro spotřebitele do značné míry užitečné. Je ale třeba upozornit i na některé nevýhody.
Příklad s obvodem MAX17330
Na obr. 2 sledujeme ukázku jednoho z hlavních nástrojů, které budou potřeba k vytvoření systému paralelního nabíjení baterie, obvodu MAX17330. V rámci jednoho integrovaného obvodu se zde budou snoubit nabíječka baterie, měřidlo (fuel gauge) a také ochrana. Zmíněná součástka by mohla získávat energii z nabíječky nebo měniče kompatibilního s USB-C, takže pak dokáže při vysokých rychlostech nabíjet paralelní sady baterií a obsluha si proto může zařízení maximální měrou i užívat. Zmíněná konfigurace navíc umožňuje umístit baterie v jejich vlastní jedinečné pozici, třeba na opačné straně náhlavní soupravy pro AR/VR či různých stranách skládacího telefonu. Mezi vybrané výhody při nasazení takového čipu řadíme snižování úbytku napětí a tepelných ztrát, zabránění křížovému nabíjení paralelně zapojených článků a také schopnost nezávislého nabíjení paralelních sad.
Obr. 2 Blokový diagram paralelního nabíjení baterií s obvody MAX17330
Skutečné aplikace pro MAX17330
V článku se zaměřujeme na některé výhody a také nedostatky spojené se systémem nabíjení paralelně řazených baterií přes USB-C, který jsme zde rovněž představili. Nyní, když už o námětu víme něco víc, pojďme se podívat na některé skutečné případy. Paralelní nabíjení baterií se již začalo společně s USB-C zavádět v několika oblastech spotřební elektroniky. Výčet není kompletní, ale patří sem např. helmy pro AR/VR, akumulátorové vrtačky a další nástroje, laptopy či přenosné tablety.
Nevýhody, které zmiňujeme v tab. 2, dokážou při návrhu těchto systémů zkomplikovat vývojářům život. A právě zde vstupuje do hry společnost Analog Devices, když na obr. 2 s obvody MAX17330 dále nahrazuje příslušné bloky se součástkami MAX77958 (USB-C controller) a MAX77986 (downstream source). MAX77958 umožňuje vývojářům zjednodušit návrh díky samostatnému řešení a také přizpůsobitelnému firmwaru, který stanovuje úrovně USB-C (power delivery), zatímco MAX77986 poslouží jako navazující zdroj pro USB-C k napájení dalších částí celého produktu. Zmíněné řešení se hodí pro aplikace s výkonem 15 W nebo i více. V případě výkonů menších než 15 W lze zase ideálně využít obvodů MAX77789 řešících spojení 3A nabíječky (1S) s detekcí USB-C.
K experimentům s možnostmi těchto součástek si můžete objednat EV kit pro MAX17330 [1] a pro MAX77789 [2]. Pokud do prototypu potřebujete vzorky MAX17330, navštivte [3]. Další informace pak přináší video „Úvod k MAX17330“ [4].
Závěr
Zákazníci si dnes po celém světě u svých produktů žádají maximální účinnost bez rizika promarněného času. Všechny zmíněné obvody nabízené společností Analog Devices lze proto spojit a umožnit přitom rychlejší nabíjení paralelních sad baterií přes USB-C. Výsledkem bude rostoucí efektivita, zatímco koncové produkty nabídnou delší výdrž baterie a kratší dobu nabíjení. S rozvojem spotřebních oblastí se musí vývojáři pokaždé rychle přizpůsobit a najít způsoby, jak uspokojit požadavky zákazníků. Dalším řešením stále se měnící otázky nalézání nových cest pro napájení příští generace spotřebních zařízení se stává USB-C a paralelní nabíjení baterií.
Odkazy:
[4] https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6313218148112.html
