Distribuția dinamică a puterii în circuitele de încărcare a fost ușoară
O ofertă de la
Articole curente din „Noțiuni de bază despre tehnologia analogică”
Articole curente din „Sfaturi pentru circuite analogice”
Articole actuale din „Aplicații”
Articole curente din „Puterea analogică”
Articole curente din „Simulatoare de circuite”
Articole actuale din „Componente analogice”
Noțiuni de bază Distribuția dinamică a puterii în circuitele de încărcare a fost ușoară
Distribuția optimă a energiei în dispozitivele portabile cu baterie reprezintă provocări reale pentru dezvoltatorii de sisteme. Vă vom arăta cum această sarcină poate fi realizată cu ușurință cu ajutorul unei unități de control al puterii extrem de integrate.
La dispozitivele portabile, un IC de încărcare intern controlează în mod normal încărcarea bateriei. Cu o baterie litiu-ion, acesta furnizează mai întâi un curent constant și apoi o tensiune constantă. Astăzi, aceste circuite integrate utilizează de obicei rutine de încărcare optimizate și astfel implementează o distribuție dinamică a energiei.
În trecut, distribuția energiei electrice în dispozitivele cu baterii a fost implementată în moduri diferite. Cu cea mai eficientă structură, veți obține cea mai bună experiență de utilizare cu o protecție maximă a bateriei.
Acest articol descrie modul în care funcționează un sistem optim de distribuție a energiei și arată modul în care procesul poate fi implementat într-o unitate de control a energiei extrem de integrată (PMU, Power Management Unit). Cu acesta puteți rezolva sursa de alimentare și încărcarea bateriei în dispozitive precum cititoare de cărți electronice, tablete și playere media într-un mod care economisește spațiu.
Cerințe de bază pentru un circuit de încărcare
Încărcarea unei baterii reîncărcabile este inițial simplă: atunci când dispozitivul în cauză este conectat la un port USB sau la o unitate de alimentare, începe procesul de încărcare. Când este conectat, dispozitivul se trezește de obicei, apoi trage energie de la sursa externă și astfel alimentează sistemul și circuitul de încărcare intern.
Puterea de alimentare a sistemului nu este preluată de la bateria care se încarcă, ci direct de la sursa de alimentare. Acest lucru menține numărul de cicluri de încărcare scăzut, deoarece fiecare proces de încărcare și descărcare scurge durata de viață a bateriei. Odată cu numărul de cicluri de încărcare și descărcare, fiecare baterie litiu-ion devine din ce în ce mai slabă și în cele din urmă cedează. Dacă evitați consumul de energie inutil al bateriei alimentând sistemul fără ca bateria să fie implicată atunci când este disponibilă o sursă de alimentare externă, aceasta prelungește durata de viață a bateriei.
Dispozitivul este alimentat independent de baterie
Un alt avantaj al acestei distribuții de energie este că dispozitivul este alimentat independent de baterie. Dispozitivul pornește imediat, chiar și cu bateria descărcată, fără ca utilizatorul să aștepte până când acumulatorul a acumulat tensiune.
În cel mai simplu caz, o diodă separă bateria de sursa de alimentare a sistemului, o altă diodă alimentează sistemul în jurul bateriei (Fig. 1). Cele două diode formează împreună un OR logic. Aceasta înseamnă că sistemul pornește imediat când este conectat la o sursă de alimentare externă, în timp ce bateria este încărcată și poate acumula tensiune. Cu toate acestea, acest circuit simplu are diferite dezavantaje. Cel mai mare dezavantaj este căderea de tensiune peste diodele Schottky, un dezavantaj special este pierderea de energie în D2, care are loc cu funcționarea bateriei. În acest caz, D2 va pierde puterea bateriei.
Alimentarea dispozitivului și pentru încărcarea bateriei
Un al doilea dezavantaj, mai puțin evident, este acela că circuitul de încărcare încarcă bateria fără a lua în considerare faptul că dispozitivul însuși dorește să fie alimentat cu energie. Dacă circuitul este conectat la un port USB normal care poate furniza doar 500 mA de curent, circuitul de încărcare poate folosi tot curentul pentru sine și nu lasă nimic mai mult pentru sistem. Mai rău, circuitul de încărcare ar putea dori să extragă mai mult de 500 mA de curent din portul USB și astfel să încalce specificațiile USB.
Un MOSFET înlocuiește cele două diode
Înlocuirea diodelor din Figura 1 cu un MOSFET (M1 în Figura 2) este un pas în direcția corectă. În acest caz, MOSFET asigură o conexiune de rezistență scăzută între baterie și dispozitivul conectat, care permite încărcarea bateriei și pornirea imediată a dispozitivului la scoaterea sursei de tensiune.
Dacă sistemul are nevoie de mai multă energie decât poate furniza sursa de alimentare, bateria poate furniza diferența prin intermediul PowerPath FET. Acum că D1 nu mai este disponibil, IC-ul de încărcare poate oferi o limitare a curentului intern și astfel poate preveni supraîncărcarea portului USB.
O a doua problemă rămâne nerezolvată: limitarea curentului împiedică supraîncărcarea portului USB, dar nu distribuie curentul între sistem și baterie. Utilizatorul va dori în mod normal performanța completă a sistemului și va accepta un timp de încărcare extins în loc să accepte că sistemul său nu are suficientă energie pentru a încărca bateria cât mai repede posibil.
Pentru a rezolva această problemă, este nevoie de o distribuție dinamică a puterii care să controleze curentul de încărcare în așa fel încât să fie luate în considerare performanța sursei și cerințele de alimentare ale sistemului conectat. Scopul este de a obține performanțe complete ale sistemului cu o sursă de alimentare externă, cu o utilizare minimă a bateriei în acest timp.
Un MOSFET extern și unul intern în calea bateriei
Circuitul din Figura 3 funcționează atât cu un MOSFET extern, cât și cu un MOSFET intern în calea bateriei. Această structură oferă o distribuție dinamică a puterii.
MOSFET-ul extern este opțional: aplicațiile cu cerințe de putere ridicate (în care trebuie disipată multă căldură) beneficiază de un element de comutare extern. Când circuitul de încărcare este oprit, bateria furnizează singur dispozitivul conectat.
Un pre-regulator alimentează circuitul de încărcare și sistemul
Figura 4 arată modul în care circuitul de încărcare și sistemul sunt furnizate printr-un pre-regulator atunci când sunt conectate la o sursă de alimentare externă. Atât tensiunea de ieșire, cât și curentul maxim pot fi configurate.
Dacă cerința de putere a sistemului crește, curentul de încărcare scade automat, astfel încât curentul maxim setat în pre-regulator să nu fie depășit, astfel se realizează o distribuție dinamică a puterii.
Când bateria este complet încărcată, sistemul este alimentat complet prin intermediul regulatorului primar
Când bateria este complet încărcată, comutatorul pentru baterie se deschide în Figura 5. Sistemul este acum complet alimentat prin regulatorul principal, astfel încât nu se extrage curent din baterie, ceea ce îi prelungește durata de viață. Dacă puterea necesară a sistemului (roșu) depășește curentul maxim setat al sursei externe, bateria poate furniza și energie (galbenă) prin intermediul FET-urilor PowerPath („comutator baterie + diodă ideală” în Figura 5). Dacă este atins curentul maxim programat, VSUP_CHG se scufundă minim sub tensiunea bateriei, astfel încât curentul să poată circula din baterie în sistem. Curentul maxim al sursei de alimentare externe nu este depășit, astfel încât sursa de alimentare să nu fie supraîncărcată.
Integrarea unui control dinamic de curent într-un PMU
În produsele electronice de consum portabile, cum ar fi tabletele, spațiul este absolut insuficient. Prin urmare, sursa de alimentare pentru astfel de dispozitive este de obicei construită cu un IC de gestionare a energiei (PMIC), care combină convertoarele de tensiune continuă necesare într-un singur IC.
Pentru a simplifica proiectarea sursei de alimentare și pentru a economisi spațiu, ar fi de dorit ca circuitul de încărcare să fie integrat în acest PMIC. Dar unde este controlul dinamic al curentului așa cum este descris mai sus?
Control dinamic al curentului cu un PMIC
Figura 7 prezintă setarea optimă pentru implementarea unui control dinamic de curent cu un AS3711, un PMIC de la ams pentru dispozitive portabile precum playere media și tablete. AS3711 dispune de două convertoare Buck de 1 A, un convertor Buck de 1,5 A, un convertor Buck de 3 A, opt LDO-uri, două convertoare boost și un controler de încărcare comutat de 1,5 A - toate într-un pachet de 7 mm x 7 mm.
Un regulator de încărcare bazat pe un regulator de comutare încarcă o baterie mai eficient decât circuitul de încărcare liniar care este de obicei utilizat. Prin urmare, are nevoie de mai puțină energie, astfel încât mai mult din curentul de alimentare să rămână pentru sistemul conectat (care este furnizat de VSUP). Eficiența mai mare a regulatorului de comutare reduce, de asemenea, disiparea puterii termice în timpul încărcării bateriei. AS3711 oferă, de asemenea, protecție la supratensiune de până la 30 V și un pre-regulator care limitează curentul, care poate fi programat la 16 valori de curent diferite între 0,1 și 2,5 A. Tensiunea pe șina VSUP_CHG poate fi, de asemenea, configurată.
PMIC cu circuit de încărcare integrat economisește spațiu și costuri
Utilizarea unui PMIC cu un circuit de încărcare integrat economisește spațiu și costuri pentru un circuit de încărcare separat. În plus, toate tensiunile și procesul complet de încărcare pot fi setate și monitorizate cu un singur set de registre. Circuitul de încărcare al PMIC și al celorlalte blocuri funcționale poate fi configurat extrem de ușor prin interfața grafică cu utilizatorul AS3711 (vezi Figura 8). Puteți programa toate blocurile funcționale din Figura 7 prin această GUI, prin care se pot configura încărcarea prin curgere, încărcarea constantă a curentului, încărcarea constantă a tensiunii, timpul, expirarea, monitorizarea temperaturii, limitarea curentului și detectarea supratensiunii externe. Există, de asemenea, o alegere între încărcarea liniară și comutată a bateriei.
Avantajele de bază ale utilizării unui PMIC
Acest articol a arătat că controlul dinamic al puterii economisește energia bateriei și asigură performanțe optime ale sistemului atunci când dispozitivul este conectat la o sursă de alimentare externă.
Puteți utiliza în continuare bateria ca sursă de alimentare suplimentară dacă sistemul are nevoie de mai multă energie decât poate furniza sursa externă. Aceasta înseamnă că o unitate de alimentare poate fi redusă, ceea ce economisește costurile. Trebuie doar să poată acoperi încărcarea bateriei, dar nu și cererea maximă a sistemului în același timp.
Utilizatorii celor mai recente PMIC-uri pentru dispozitive portabile au toate aceste avantaje dacă implementează structura așa cum se arată mai sus folosind exemplul AS3711. Acest CI oferă un mijloc eficient de adaptare dinamică a curentului de încărcare la cerințele actuale ale sistemului.
Implementarea unui control dinamic de curent prin intermediul unui PMIC are, de asemenea, următoarele avantaje:
- Economisire de spațiu deoarece se economisește un IC extern de încărcare,
- control ușor al tuturor tensiunilor prin intermediul software-ului, inclusiv a tensiunii de încărcare,
- Control simplificat al puterii prin PMIC, care monitorizează tensiunea de intrare, tensiunea bateriei, tensiunea de alimentare a sistemului și toate celelalte tensiuni și generează întreruperi inteligente ale sistemului și le gestionează automat.