Контроллер 1х li-ion плата заряда 3,7 В li-ion

Особенности контроллеров зарядки Li-ion аккумуляторов

В статье рассмотрены некоторые особенности контроллеров зарядки литиево-ионных (Li-Ion) аккумуляторов, созданных на базе линейных и импульсных стабилизаторов.


В

ведение

Состязание разработчиков и производителей портативных гаджетов по внедрению во вновь создаваемые (и при этом все меньшего размера) устройства аппаратных модулей с расширенными функциональными возможностями вряд ли можно остановить. Большие яркие дисплеи с сенсорными панелями, Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, GSM, GPS, видеокамеры с большим форматом матрицы видеосенсора, аудио- и видеоплееры — всего лишь неполный перечень встроенных модулей и возможностей, предоставляемых современными мобильными устройствами. И, по сути, на пути миниатюризации гаджетов всегда возникают две неразрывно связанные проблемы: отвод рассеиваемой мощности и малые габариты, в которые необходимо все это упаковать. Мобильное устройство должно не только привлекать потребителей своими интеллектуальными возможностями, но и не вызывать при этом ожогов (в прямом смысле этого слова) у пользователя. Минимизация уровня тепловыделения — один из важных приоритетов при разработке. Одним из источников тепла является контроллер зарядного устройства, встроенного в мобильный прибор аккумулятора.

Проблемы

Одним из обязательных компонентов современных портативных устройств является мало в чем изменившийся за последние годы литиево-ионный аккумулятор, отличающийся наилучшими показателями среди ряда других химических источников электроэнергии, предназначенных для использования в портативных приложениях. Бесспорно, емкость его выросла, существенно улучшены и другие характеристики, что позволило расширить функциональные возможности портативных устройств, однако базовый принцип его работы и алгоритм зарядки мало в чем изменились [1–7].

В среднем для полной зарядки литиево-ионного аккумулятора емкостью 1 А·ч при токе зарядки 1 А требуется один час. Часто используемые сегодня USB-адаптеры не могут обеспечить ток более 500 мА, и поэтому время зарядки может растянуться до 2–4 или более часов. Одна из проблем, возникающих при зарядке большим током, — тепловыделение. Поскольку выходное напряжение повсеместно используемых сетевых и USB-адаптеров составляет 5 В, а рабочее напряжение аккумулятора: 3,7…4,2 В, то среднее значение КПД контроллера зарядки, построенного на базе линейного регулятора, не может быть лучше, чем 74% (3,7/5,0), а максимальное — 84% (4,2/5,0). На рисунке 1 приведена зона возможных потерь мощности в контроллере в процессе зарядки аккумулятора. Таким образом, при зарядке аккумулятора током 1 А максимальные потери составят примерно 1,3 Вт. Необходимо отметить, что это не то неизбежное выделение тепла, связанное с накоплением энергии в аккумуляторе для последующего ее использования, а тепловыделение, вызванное нагревом кристалла ИС контроллера зарядки. Чтобы уменьшить нежелательный нагрев кристалла в процессе зарядки аккумулятора, необходимо повышать КПД контроллера, что достигается при использовании контроллеров с импульсным регулированием. Кроме того, их применение позволяет потенциально ускорить продолжительность зарядки.










Рис. 1. Распределение потерь мощности в процессе зарядки аккумулятора







В контроллерах зарядки, созданных на базе линейных регуляторов с разделением путей протекания токов нагрузки и зарядки (PowerPath Technology), в случае небольшого тока нагрузки напряжение VOUT равно почти 5 В (VIN), а напряжение на аккумуляторе

VBAT = 3,7 В. При этом линейный регулятор контроллера зарядки используется неэффективно. При большом токе через нагрузку к ней дополнительно подключается аккумулятор и при VIN = 5 В, VOUT = VBAT = 3,7 В (см. рис. 2). В этом случае неэффективно используется проходной транзистор контроллера зарядки. И в первом, и во втором случаях сохраняется величина падения напряжения на элементах регулирования VIN – VOUT = 1,3 В или VOUT – VBAT = 1,3 В, что и приводит к нежелательной потере мощности. Особенность приведенной на рисунке 2 структурной схемы состоит в том, что для подключения аккумулятора к нагрузке используется устройство, выполняющее функции «идеального» (далее — идеального, прим. ред.) диода.










Рис. 2. Упрощенная структурная схема устройства зарядки с разделением путей протекания токов нагрузки и зарядки







Варианты решения

Что же подразумевается под предложенным специалистами компании Linear Technology термином «идеальный» диод? [3, 7]. Широко применяемые диоды Шоттки отличаются по сравнению с другими полупроводниковыми диодами малым прямым падением напряжения и высокой скоростью переключения. При использовании этого диода в качестве полупроводникового ключа, например, в схемах автоматического подключения к нагрузке аккумулятора или сетевого адаптера, как правило, применяется простая схема монтажного ИЛИ, основной недостаток которой — сравнительно большое падение напряжения на диоде. При повышении тока нагрузки растут и потери мощности на нем. Решить эту проблему можно с использованием в качестве диода МОП-транзистора. Идея не нова, однако специалисты компании Linear Technology при замене диода на МОП-транзистор предложили также способ определения момента переключения идеального диода в закрытое и открытое состояния. Для этого осуществляется мониторинг падения напряжения между истоком (анодом) и стоком (катодом) транзистора. В рассматриваемом случае — это МОП-транзистор с каналом N-типа. В момент подключения входного напряжения, конечно, если входное напряжение больше выходного, ток через защитный диод транзистора течет в нагрузку. Транзистор открывается, и падение напряжения на нем равно ILOAD∙RDS, где RDS — сопротивление перехода сток-исток. Как правило, это напряжение примерно в десять раз ниже, чем падение напряжения на диоде Шоттки. Если напряжение на аноде ниже, чем на катоде, транзистор закрывается.

Для мониторинга падения напряжения на транзисторе используется специальный усилитель. Проблема заключается в том, как выбрать значение напряжения порога переключения и величину гистерезиса компаратора. Например, если открывать транзистор при падении напряжения 25 мВ, а закрывать при 5 мВ, это может привести к тому, что при малых токах нагрузки ключ просто закроется. Установка порога на уровне –5 мВ приведет к тому, что ток потечет от нагрузки ко входу. Чтобы исключить эти проблемы, падение напряжения между стоком и истоком открытого транзистора поддерживается с помощью специального следящего усилителя на уровне 25 мВ. При росте тока нагрузки повышается также и управляющее напряжение на затворе транзистора, и соответственно, снижается сопротивление открытого канала. Таким способом падение напряжения на транзисторе поддерживается почти постоянным на уровне 25 мВ.

На определенном этапе при увеличении тока падение напряжения на транзисторе начинает расти пропорционально току (ILOAD∙RDSON). На рисунке 3 приведены вольт-амперные характеристики диода Шоттки (B530C) и идеального диода [3, 7]. Предложенный метод управления МОП-транзистором позволяет реализовать плавное переключение транзистора и даже при небольших токах нагрузки получить минимальную разницу напряжения между стоком и истоком.










Рис. 3. Вольт-амперные характеристики идеального диода и диода Шоттки







В микросхеме LTC4358 (Linear Tech­nology) материализована идея создания идеального диода на базе встроенного на кристалл МОП-транзистора с каналом N-типа, имеющего сопротивление (RDSON) открытого канала 0,02 Ом. Напряжение питания ИС составляет 9,0…26,5 В; максимальный ток: 5 А; время отключения транзистора при превышении тока ограничения — 0,5 мкс. Микросхема LTC4358 предназначена для замены диодов в схемах переключения источников питания, к которым подключается нагрузка, построенных на основе схемы монтажного ИЛИ. Графики зависимости мощности, рассеиваемой на идеальном диоде (LTC4358) и на диоде Шоттки типа B530C показаны на рисунке 4. Микросхема LTC4358 изготавливается в корпусе 14-DFN и имеет размеры 4×3 мм.

Кроме того, компания Linear Technology предлагает и другие ИС, например, LTC4352/55/57, LTC4411/13/ 16. Микросхемы LTC4352/55/57 и LTC4416, по сути, являются контроллерами идеального диода, и для этой цели используется внешний МОП-транзистор, в микросхемах LTC4411/13 — встроенный. Миниатюрная ИС LTC4411 предназначена для автоматического переключения нагрузки между сетевым адаптером и аккумулятором в схемах, построенных на основе монтажного ИЛИ. Напряжение входного источника 2,6…5,5 В, ток потребления в статическом режиме не более 40 мкА (при токе нагрузки до 100 мА). Максимальное сопротивление открытого канала встроенного МОП-транзистора с каналом P-типа составляет 0,14 Ом, максимальный прямой ток — 2,6 А, ток утечки — менее 1 мкА. В микросхеме предусмотрена защита от перегрева корпуса. Для подключения ИС LTC4411 не требуются дополнительные внешние компоненты. Микросхема LTC4411 изготавливается в корпусе SOT-23-5.

В контроллерах зарядки LTC4066, LTC4085, построенных на основе линейного регулятора, также реализован идеальный диод. Напряжение питания ИС 4,35…5,50 В. Сопротивление идеального диода, используемого для подключения аккумулятора к нагрузке, при токе 3 А составляет всего 50 мОм. В контроллерах предусмотрена возможность ограничения входного тока на уровне 100 или 500 мА. Микросхемы LTC4066 изготавливаются в корпусе 24-QFN (4×4 мм).











а)


б)




Рис. 4. Графики зависимости мощности, рассеиваемой на ИС LTC4358 и диоде B530C, от протекающего через них тока (а) и схема включения LTC4358 (б)







Микросхемы LTC4088/LTC4098 — контроллеры зарядки литиево-ионных аккумуляторов, обеспечивающие за счет применения в них импульсного регулятора не только высокий КПД, но и реализацию технологии разделения путей протекания токов нагрузки и зарядки, получившую название Switching PowerPath. ИС LTC4088/98 содержат импульсный понижающий напряжение регулятор и линейный регулятор тока зарядки аккумулятора. В конфигурации, приведенной на рисунке 5, разница напряжения VIN – VOUT хотя и сохраняется почти прежней (см. рис. 2), однако потери мощности существенно меньше, т.к. КПД регулятора достаточно высок (примерно, 92% при выходном токе 300 мА). Напряжение VOUT лишь на несколько сотен милливольт выше VBAT. Принятые в этих микросхемах меры обеспечивают незначительные потери мощности.










Рис. 5. Упрощенная структурная схема LTC4088







Микросхема LTC4088 — высокоэффективный контроллер зарядки литиево-ионных аккумуляторов, обеспечивающий максимальный ток зарядки 1,5 А. В качестве внешнего источника питания можно использовать как сетевой адаптер, так и USB-порт. Напряжение питания LTC4088 — 4,25…5,50 В. Допускаются выбросы входного напряжения амплитудой до 7 В. Ток ограничения: 100, 500 или 1000 мА. Частота преобразования понижающего напряжение импульсного стабилизатора составляет 2,25 МГц. Подключение аккумулятора к нагрузке осуществляется с использованием встроенного аналога идеального диода с сопротивлением в открытом состоянии 0,18 Ом. Предусмотрена также возможность подключения дополнительного внешнего МОП-транзистора с каналом P-типа параллельно встроенному идеальному диоду, что позволяет существенно снизить суммарное сопротивление комбинированного ключа (см. рис. 6). Кроме того, в микросхеме LTC4088 реализован автономный стабилизатор напряжения с выходным напряжением 3,3 В, обеспечивающий ток нагрузки до 25 мА.










Рис. 6. Графики зависимости сопротивлений идеального диода (LTC4088) и комбинированного ключа от напряжения на аккумуляторе







Микросхема LTC4088 изготавливается в корпусе 14-DFN и имеет размеры 4×3 мм. Максимальная температура корпуса 125°C, тепловое сопротивление 37°C/Вт. ИС LTC4098 — в корпусе 20-DFN с размерами 4×3 мм, ее тепловое сопротивление 43°C/Вт. Диапазон рабочих температур: –40…85°C.

Микросхемы bq2410x (Texas In­stru­ments) обеспечивают максимальный ток зарядки аккумулятора до 2 А. Частота преобразования понижающего напряжение импульсного регулятора составляет 1,1 МГц. Микросхемы bq2410x содержат встроенные ключи, выполненные на базе МОП-тран­зис­торов, используемые для подключения к нагрузке сетевого адаптера или аккумулятора. Максимальный КПД — 93%.

Микросхемы bq2410х изготавливаются в корпусе 20-QFN (3,5×4,5 мм). Допустимая мощность рассеивания до температуры кристалла 40°C составляет 1,81 Вт, тепловое сопротивление — 46,87°C/Вт. Диапазон рабочих температур: –40…85 °C.

Как и для ИС, созданных на базе линейных регуляторов (к примеру, MAX1811, LTC4065/69/95, MCP73831/2, MCP73811, bq2402x/3х/6х, bq2057, bq24085), так и в случае использования импульсных преобразователей, есть два варианта подключения нагрузки и аккумулятора: непосредственное подключение (в одну точку) и подключение с возможностью выбора путей протекания зарядного тока и тока нагрузки.

Существует два варианта непосредственного подключения нагрузки к аккумулятору. В первом случае нагрузка подключается после измерительного резистора RSNS (см. рис. 7а), а во втором — до него (см. рис. 7б). В первом варианте входное напряжение VIN преобразуется в напряжение VOUT с высоким КПД. При подключенном сетевом адаптере обеспечивается энергопитание нагрузки и одновременно зарядка аккумулятора, в случае отключения адаптера питание нагрузки осуществляется от аккумулятора.











a)


б)




Рис. 7. Структурные схемы подключения нагрузки до (а) и после (б) измерительного резистора







Преимущества первого варианта топологии:

– при отключенном адаптере энергопитание нагрузки осуществляется непосредственно от аккумулятора с минимальными потерями мощности;

– возможно использование технологии динамического управления током зарядки аккумулятора (Dyna­mic Power Management — DPM), что позволяет за счет динамического снижения тока зарядки предотвратить потенциальную ве­роятность перегрузки ИС по току зарядки и перегрева ее корпуса при пиковых нагрузках, а, кроме того, сохраняется возможность ограничения суммарного входного тока;

– малы изменения напряжения на нагрузке;

– достаточно просто на программном уровне реализуется режим токового мягкого старта.

При выборе топологии подключения аккумулятора к нагрузке следует принимать во внимание некоторые особенности. Если средний ток нагрузки длительное время достаточно велик, то процесс зарядки затягивается, и возникает ситуация, при которой аккумулятор непрерывно находится в процессе зарядки, что сокращает его срок службы. Поскольку предел ограничения суммарного тока фиксирован на аппаратном уровне, то при достаточно большом токе через нагрузку ток зарядки аккумулятора также снижается, что приводит к чрезмерному увеличению времени зарядки аккумулятора до его полной емкости, и поэтому вполне вероятна ситуация, при которой будет просто невозможно полностью его зарядить.

Если при заряженном аккумуляторе ток нагрузки увеличится, то вследствие падения напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора выходное напряжение может снизиться до порога, при котором будет инициироваться очередной цикл зарядки, который, в свою очередь, быстро завершится. Таким образом, возможна ситуации, при которой процесс зарядки будет стартовать циклически. При небольшом токе нагрузки интервал времени от момента уменьшения выходного напряжения (за счет падения напряжения на аккумуляторе) до необходимого порога для старта очередного процесса зарядки существенно увеличивается.

В фазе предварительной зарядки (при напряжении на аккумуляторе ниже 3,0 В) ток зарядки составляет примерно 10% номинальной емкости аккумулятора, чего зачастую слишком мало для энергоснабжения продолжающего работать устройства, которое в этом случае вынуждено подпитываться от аккумулятора, а последний соответственно продолжает разряжаться. Кроме того, поскольку для предварительной фазы зарядки отводится определенный задаваемый специальным таймером интервал времени, в течение которого напряжение на аккумуляторе должно достичь порога 3,2 В, то создается ситуация, при которой напряжение на аккумуляторе не возрастает, а таймер начинает сигнализировать, что аккумулятор неисправен.

Не следует забывать, что основной недостаток непосредственного подключения аккумулятора к нагрузке заключается в том, что при полностью или глубоко разряженном аккумуляторе напряжение на нагрузке (даже при условии подключения сетевого адаптера) равно напряжению на аккумуляторе, чего бывает явно недостаточно для работы устройства, и, конечно, во многих случаях это просто недопустимо.

Во втором варианте (см. рис. 7б) нагрузка подключена до измерительного резистора (RSNS). Эта топология, по сравнению с той, в которой нагрузка подключена после резистора, имеет ряд преимуществ. Основным является то, что в ней контролируется ток, протекающий только через аккумулятор, и поэтому все три режима зарядки (предварительный, режим собственно зарядки с током, равным величине емкости аккумулятора и режим завершения) работают без каких-либо проблем, связанных с протеканием тока через нагрузку.

Глубоко разряженный аккумулятор можно без риска подключать к контроллеру зарядки, не опасаясь завершения работы таймера, определяющего безопасную продолжительность предварительной фазы зарядки, еще до окончания этого этапа. Следует также принимать во внимание, что суммарный ток через контроллер зарядки ограничен на уровне максимально допустимого тока через кристалл, а также работой системы защиты от перегрева ИС. Ток зарядки не уменьшается при росте тока нагрузки, поэтому эта топология не используется при больших токах нагрузки.

При больших токах нагрузки и зарядки обеспечить низкий уровень тепловыделения крайне сложно даже при использовании импульсных регуляторов со встроенными транзисторными ключами. Поэтому при больших токах мощные ключи, как правило, не интегрируются на кристалле микросхемы, а размещаются вне ее корпуса.

Примером таких ИС могут служить bq24702/3/5 и bq246хх (Texas Instru­ments), обеспечивающие ток зарядки до 10 А (bq24610/17). В отличие от bq2410x устройства зарядки, созданные на базе ИС bq246хх, содержат внешние ключи. Частота преобразования импульсного стабилизатора ИС bq24610/17 составляет 600 кГц. Кроме того, в контроллерах bq24610/17 реализована технология динамического управления током зарядки аккумулятора DPM, основанная на мониторинге величины входного тока. Для независимого измерения суммарного (входного) тока и тока зарядки аккумулятора в контроллере bq24610 реализованы два прецизионных усилителя. Для подключения нагрузки к адаптеру, а также аккумулятора к нагрузке используются ключи на мощных внешних МОП-транзисторах.

Микросхемы bq24610/17 изготавливаются в корпусе 24-QFN (4×4 мм). Допустимая мощность, рассеиваемая при температуре 25°C, составляет 2,3 Вт; тепловое сопротивление — 43°C/Вт.

Заключение

В заключение в таблицах 1, 2 приведены параметры некоторых контроллеров зарядки, построенных на основе как линейных, так и импульсных регуляторов.

Таблица 1. Параметры контроллеров зарядки, созданных на базе линейных регуляторов





Наименование


MAX1811


MCP73831


bq24020


bq24085


LTC4065


LTC4095


bq24030




Входное напряжение, В


4,35…6,5


3,75…6,0


4,35…6,5


3,75…5,5


4,3…5,5


4,35…16,0




Максимальный ток зарядки, А


0,5


0,5


1,0


0,75


0,75


0,95


2,0




Напряжение аккумулятора, В


4,2




Диапазон рабочих температур, °C


–40…85


–40…125


–40…155


–40…85


–40…125




Тип корпуса (размеры, мм)


8-SO


8-DFN (2×3), SOT-23-5


10-SON (3×3)


6-DFN (2×2)


8-DFN (2×2)


20-QFN (3,5×4,5)







Таблица 2. Параметры контроллеров зарядки, созданных на базе импульсных регуляторов





Наименование


LTC4088


LTC4098


bq24100


bq24702


bq24610




Входное напряжение, В


4,35…5,5


4,35…16


4,5…28


5…28




Максимальный ток зарядки, А


1,5


2,0


2,0


10




Частота преобразователя, МГц


2,25


1,1


0,3


0,6




Напряжение аккумулятора, В


4,2


Программируется




Диапазон рабочих температур, °C


–40…85




Тип корпуса (размеры, мм)


14-DFN (4×4)


20-QFN (3×4)


20-QFN (3,5×4,5)


24-TSSOP


24-QFN (4×4)







Схема непосредственного подключения аккумулятора к нагрузке и контроллеру зарядки, созданному на основе линейного регулятора, отличается простотой, а устройства, выполненные на базе этой архитектуры, — более низкой стоимостью. Однако при больших токах нагрузки вряд ли можно рекомендовать использование этой топологии из-за большой вероятности перегрева кристалла ИС. При непосредственном подключении аккумулятора к нагрузке можно достичь минимального изменения уровня напряжения на нагрузке.

Проблема потери мощности сохраняется также и в контроллерах зарядки, созданных на основе непрерывного регулирования, с разделением путей протекания токов нагрузи и зарядки. Более высокого КПД можно достичь за счет применения импульсного регулятора, что позволяет создавать на его базе контроллеры с током зарядки аккумулятора более 10 А. Кроме того, в этих контроллерах зачастую используется технология разделения путей протекания токов нагрузки и зарядки, основным преимуществом которой является высокая надежность.

Более полную информацию о микросхемах зарядки аккумуляторов можно найти в [2–6].