česky english Vítejte, dnes je sobota 20. červenec 2019

Jedna nabíječka sedne všem. Další už nehledejte

DPS 1/2019 | Vývoj - články
Autor: Zachary Pantely, Analog Devices

Při návrhu nabíječky baterií spočívá první krok ve výběru vhodného integrovaného obvodu. Dostupných řešení je přitom nepřeberné množství. Pokud se má vývojový tým správně rozhodnout, potřebuje nejprve jasně definovat parametry akumulátoru (jeho chemické složení, počet článků apod.) spolu s parametry vstupu (solární energie, USB a další). Kolektiv následně vyhledá vhodné obvody, které vstupním a také výstupním požadavkům vyhoví, porovná četnou dokumentaci a shodne se na nejlepším řešení. Celé „výběrové řízení“ by tak mělo vývojářům pro danou aplikaci umožnit volbu jen toho nejlepšího. Ovšem pouze do okamžiku, kdy se v zadání něco změní. To se pak rychle vracíme zpátky k technickým listům.

A teď si představte, že takový krok vynecháme úplně. Co kdyby se vývojáři soustředili spíše na samotnou aplikaci a integrované struktury sloužící k nabíjení baterie považovali jen za jakousi černou skříňku, kterou vyplníme skutečnou součástkou teprve, až nadejde čas pro realizaci funkčního řešení? Tehdy by pak návrhář prostě sáhnul do regálu a bez ohledu na jinak neodmyslitelné parametry návrhu si jen podal standardní integrovaný obvod s funkcí nabíjení. Dokonce i v případě, že se některé požadavky aplikace změní (odlišné vstupy, jiný druh baterie atd.), sériově vyráběná součástka do nabíječky stále pasuje. Žádné další studium datasheetu netřeba.

Vzniklou situaci si pojďme ilustrovat na příkladu dvou evidentně odlišných problémů při nabíjení baterií:

  • Vývojový tým, říkejme mu A, stojí před návrhem nabíječky se solárním panelem na svém vstupu a dodávkou energie do olověného akumulátoru. Řešení musí být samostatné, bez jakéhokoli mikrokontroléru, a přesto by mělo být stále dostatečně univerzální na to, aby umožnilo připojení několika různých typů solárních panelů. Schéma se očekává do jednoho týdne.
  • To na vývojáře ze skupiny B čeká jiná „pikantnost“. Jejich zapojení využije 5V napájení z USB a nabíjí jeden článek Li-ion baterie proudem o velikosti 1,3 A až do konečného napětí 4,1 V na článek. Při překročení teploty +47 °C se očekává snížení napětí na 4 V/článek spolu s proudem 0,5 A a nad +72 °C již končí nabíjení úplně. A nejen to, mikrokontrolér v jejich systému potřebuje znát napětí, proud, teplotu baterie a také její kondici. Sedm dní na schéma musí stačit i zde.

Nakonec to dopadlo tak, že obě skupiny mohou využít nejen stejného integrovaného obvodu pro nabíjení baterie, ale taková součástka bude zároveň podle všeho pro obě aplikace tou nejlepší dostupnou volbou.

O dobrých věcech v malém provedení

35V obvody LTC4162 vystupují jako 3,2A monolitické snižující nabíječky pyšnící se působivou kombinací jednoduchosti spolu se všestranností. Díky schopnosti pracovat samy za sebe nebo pod vedením host kontroléru nabídnou prvky LTC4162 řešení jak pro jednoduché, tak též komplikované návrhy. Plnohodnotný systém vzdáleného měření přes rozhraní I²C umožňuje uživateli volitelně sledovat akumulátor a poplatně jeho modelu zapracovat konkrétní parametry nabíjení. Nefalšovaný algoritmus MPPT (Maximum Power Point Tracking) pak zase znamená optimální spojení nabíječky s libovolným vysokoimpedančním zdrojem, třeba solárním panelem. Nabíjecí algoritmus výrobce „šije na míru“ zvolenému chemickému složení, tedy článkům Li-ion, LiFePO4 nebo olověným zdrojům. To vše navíc v rámci pouzdra typu QFN o rozměrech 4 × 5 mm, kdy typický výsledek zabírá zhruba 1 × 2 cm.

Výkon na dosah

Malými rozměry se ale rozhodně nenechejte zmást. Dokonce i s vestavěnými spínacími FETy mohou obvody LTC4162 při nabíjení zajistit přes 60 W a díky vlastnímu sledování teploty čipu pak regulovat nabíjecí proud tak, aby se nikdy nepřehřívaly. A to ani v nejteplejším prostředí nebo sebemenších pouzdrech.

FETy PowerPath™ (INFET a BATFET) garantují, že zátěž (VOUT) bude v systému pokaždé napájena ze vstupního napětí (VIN), je-li přítomno, nebo z baterie, pokud tedy VIN chybí. Použití externích tranzistorů s kanálem typu N umožňuje dosahovat na trase nízkých ztrát a navíc bez omezení velikosti proudu, který do zátěže dodáváme.

Jedna nabíječka sedne všem. Další už nehledejte 1

Telemetrie a řízení

Ačkoli mohou obvody LTC4162 pracovat bez účasti host kontroléru, řadu věcí při nabíjení sledujeme a také ovládáme právě přes port I²C. Zapracovaný systém dálkového měření dokáže číst napětí a proudy v systému a také u baterie v reálném čase. Bude tak možné nastavit různé limity či upozornění a oznámit přitom host kontroléru, že naměřená hodnota dosáhla své definované prahové úrovně nebo že jsme při nabíjení právě vstoupili do určitého stavu. Často se např. setkáváme s požadavkem na aktivaci režimu s nízkou spotřebou, klesne-li napětí na baterii ke stanovené nižší hladině. A tak než abychom mikrokontrolér neustále obtěžovali dotazy na napětí baterie, bude obvod LTC4162 situaci monitorovat sám a informovat host kontrolér při dosažení takového limitu. Systém může v tuto chvíli odpojit hlavní zátěž a vstoupit do stavu s nízkým odběrem proudu.

Telemetrický systém rovněž dokáže změřit sériový odpor u baterie BSR sloužící jako indikátor její kondice. Sledování BSR lze ošetřit tak, aby běželo automaticky, zatímco další nastavení spojíme s informací host kontroléru o tom, že požadovaný horní limit BSR byl překročen. Systém pak může varovat uživatele, že baterie již dosluhuje.

Dojde-li k odpojení vstupního napájení a systém čerpá energii z baterie, obvod LTC4162 automaticky deaktivuje telemetrický systém a šetří tak baterii. Pokud se však bez měření přesto neobejdeme, lze systém nastartovat pomocí příkazu I²C, kdy následně vstupujeme do pomalejšího telemetrického režimu s nízkou spotřebou a k měření dochází každých pět vteřin. Pokud to něčemu prospěje, rychlost pro dálková měření lze kdykoli navýšit a dosahovat přitom 11 ms/čtení.

Jedna nabíječka sedne všem. Další už nehledejte 2

Je tu příliš horko?

Obvody LTC4162 podporují nabíjení závislé na teplotě, které si lze dále přizpůsobit. Pro lithiové články (Li-ion a LiFePO4) zde máme k dispozici teplotně řízené nabíjení dle JEITA. To pak uživateli umožňuje nastavit vlastní oblasti, ve kterých k nabíjení baterie poslouží nadefinovaná napětí a proudy. S tím se dále pojí i možnost vývojáře rozhodnout o vysokých a jindy zase nízkých teplotách, při kterých již nabíjení přerušíme. Výchozí nastavení JEITA fungují bez účasti host procesoru u celé řady baterií, nicméně zmiňovaná možnost dovoluje obvodům LTC4162 pracovat s jakýmikoli požadavky na teplotní profil akumulátoru.

Podobně pro olověné zdroje algoritmus teplotní kompenzace v každé fázi nabíjení s rostoucí teplotou lineárně snižuje výsledné napětí. Změny provádíme přes příkazy I²C, příp. prostou změnou termistoru (napětí, strmost).

MPPT a regulace vstupu

Kvůli jednoduchosti definuje spousta regulačních obvodů pro solární panely napětí bodu maximálního výkonu jako konstantní hodnotu. Ve skutečnosti se však VMPP mění spolu s osvětlením, zatímco částečně zastíněný panel může mít výkonových špiček i více. A protože algoritmus pokročilého sledování bodu maximálního výkonu MPPT u obvodu LTC4162 prochází na vstupu celý napěťový rozsah připojeného panelu, dokáže započítat veškeré proměnné a pokaždé se zastavit v místě s maximálním výkonem. Vedle občasného průchodu napříč rozsahem solárního panelu však obvody LTC4162 u regulace na vstupu dále aktivně zasahují a ustavičně vyhledávají byť jen malé změny VMPP. Zmíněné funkce se obejdou bez jakéhokoli programování, takže panely lze vyměnit bez nutnosti modifikovat nabíječku.

Výhody spojované s regulací vstupu se však nedotýkají pouze zdrojů v podobě solárních panelů. Spousta USB kabelů bude kupříkladu ovlivněna výraznou sériovou impedancí stojící při odběru proudu za napěťovými úbytky na vstupu nabíječky. Funkce podpěťového proudového omezení tak u obvodů LTC4162 vše reguluje a na vstupu přitom udržuje minimální napětí.

USB PD

Prvky LTC4162 budou rovněž kompatibilní se specifikací USB Power Delivery umožňující na základě USB typu C dodávat po kabelu až 100 W. Vstupní proudové omezení obvodu lze konfigurovat tak, aby u adaptéru na vstupu nedocházelo k přetížení. Je-li tedy dosaženo vstupního proudového omezení, může systémová zátěž dostávat stále dle svých výkonových požadavků, nicméně u nabíjecího proudu akumulátoru dochází ke snížení odběru, a to takovým způsobem, abychom nepřekročili proudový limit vstupu. Za předpokladu USB PD to tedy znamená různé profily napájecího adaptéru, a přesto stále jeden obvod LTC4162.

Nízká spotřeba během přepravy

Bude-li nutné produkt někam transportovat nebo dlouhodobě skladovat, dokážeme příkazem přes rozhraní I²C přimět obvod LTC4162 ke vstupu do režimu nízké spotřeby, ve kterém u baterie omezíme průtok proudu přibližně na 3,5 μA. Volitelně lze během takového cyklu konfigurovat obvod i tak, aby systémovou zátěž „odřízl“ od napájení.

Obvod a jeho verze

Aby výrobce zjednodušil návrh, a to včetně dokumentace, pracuje u obvodů LTC4162 s verzemi odrážejícími chemické složení baterie, parametry nabíjení nebo též otázku, zda ve výchozím stavu bude povoleno sledování MPPT či nikoli. Veškeré dostupné varianty LTC4162 sledujeme v tabulce 1.

Jedna nabíječka sedne všem. Další už nehledejte 3

Každá verze je navíc pinově kompatibilní a umožňuje tudíž během vývoje prohození s dalšími variantami součástek. Zaměnitelnost jednotlivých prvků LTC4162 se tak podepisuje pod jednoduchým návrhem produktů, které sice staví na stejném obvodu, ale využijí přitom akumulátory s odlišným chemickým složením, velikostí nabíjecího napětí nebo též jinými vstupními zdroji. Pro zjednodušení dokumentace pak jednotlivé datasheety obvodů LTC4162 odlišíme z pohledu chemie, takže obdržíme celkem tři samostatné verze pro Li-ion, LiFePO4 a olověné akumulátory.

Závěr

Vývojáři dokázali dříve strávit celý den procházením dokumentace k různým obvodům pro nabíjení baterií, součástkám pro sledování výkonu a také regulátorům pracujícím se solární energií. A pak je čekaly hodiny psaní kódu pro konkrétní algoritmy nabíjení závislé na teplotě nebo ručně řešené dotazy na výsledky měření s cílem zjišťovat překročení limitů. Kdyby tak jen měli na výběr pouze jeden obvod, který by vyhověl každé nabíječce akumulátorů! V kontextu výše uvedeného je tedy velmi pravděpodobné, že obvody LTC4162 budou pro takové účely tím nejlepším kandidátem.

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik