Интегральное зарядное устройство для Li-Ion аккумуляторов с коммутатором, управляющим распределением мощности между параллельными потоками. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2013

Sergei Strik, Viktor Strik, Texas Instruments

Часть 1.

2.3. Схема системного LDO стабилизатора

Второй путь передачи мощности, фактически, представляет собой LDO стабилизатор с точным ограничителем тока. Требования к точности ограничения здесь более жесткие, чем в обычных LDO, поскольку чрезмерный ток может вывести из строя не только устройства на внешней шине, но и сетевой адаптер.

Для повышения точности ограничителя тока мы добавили усилитель ошибки, управляющий силовым МОП транзистором системного LDO стабилизатора во время перегрузки (Рисунок 4). Заметим, что принцип работы схемы, основанной на двух усилителях ошибки и N-канальном МОП транзисторе в качестве силового элемента LDO стабилизатора, аналогичен предложенному в рассматриваемой схеме.

Рисунок 4.	Блок-схема предложенного LDO.

Простейшая схема ограничения тока в LDO может быть создана путем зеркального отображения тока мощного МОП транзистора с помощью токоизмерительного транзистора. Для поддержания точного соотношения между токами мощных и измерительных МОП транзисторов их напряжения на стоках и истоках должны быть одинаковыми. Однако в случае использования мощного N-канального МОП транзистора ошибка в соотношении токов будет больше, чем с P-канальным прибором, что объясняется квадратичной зависимостью тока стока от напряжения затвор-исток.

Чтобы свести к минимуму разброс токов сток-исток между мощным МОП транзистором M_P и токоизмерительным МОП транзистором M_S, мы добавили усилитель тока для выравнивания напряжений на истоках. Основное влияние на точность ограничителя тока оказывает разброс характеристик M_P и M_S. Ошибку можно уменьшить подстройкой тока датчика. Транзистор Mtrim управляет током транзистора M1. Этот ток направляется в подключенный к земле резистор R1. Падающее на нем напряжение пропорционально току, протекающему через системный LDO, и является сигналом обратной связи для усилителя ограничителя тока. Этот усилитель управляет мощным MOSFET когда потребляемый системой ток превышает установленный уровень ограничения.

2.4. Схема адаптивного перераспределения тока

В зарядных устройствах необходимо защищать не только аккумулятор, но и сетевой адаптер, поскольку структура с параллельными потоками мощности легко может перегрузить адаптер. Общий ток, забираемый из адаптера, равен сумме тока заряда батареи и тока системной нагрузки:

I_IN = I_SYS + I_CHG.

I_CHG ограничивают выбором соответствующего тока заряда. I_SYS можно контролировать ограничителем тока системного LDO. Потребление тока внешней системой изменяется в относительно широком диапазоне и для зарядного устройства непредсказуемо. В таком случае есть возможность ограничить ток заряда батареи на максимальном уровне, а системный ток на уровне I_IN – I_CHG, но это будет препятствовать нормальной работе внешней системы.

Для увеличения эффективности заряда аккумулятора мы реализовали схему адаптивного перераспределения тока. Она позволяет при увеличении нагрузки плавно снижать заряжающий батарею ток, защищая сетевой адаптер от перегрузки. Схема на Рисунке 5 демонстрирует делали этого решения.

Рисунок 5.	Блок-схема устройства адаптивного перераспределения тока.

Ток, протекающий через схему заряда и мощные MOSFET Mp_vdd и Mp_batt системного LDO, зеркально отображается посредством токоизмерительных транзисторов Ms_vdd и Ms_batt, соответственно. Резисторами R0 и R1 измерительные токи трансформируются в напряжения обратной связи усилителя ограничителя тока системного LDO и усилителя ошибки стабилизатора тока схемы заряда. Эти два операционных усилителя управляют мощными МОП транзисторами в соответствии с подаваемым на них напряжением обратной связи. Опорные напряжения формируются блоком V_REF и могут выбираться пользователем. Опорное напряжение для схемы адаптивного перераспределения тока представляет собой разность между опорным напряжением усилителя ограничителя тока и опорным напряжением усилителя управления режимом постоянного тока:

V_{REF_curlim} – V_{REF_ibatt}.

Выходное напряжение усилителя схемы адаптивного перераспределения тока остается высоким до тех пор, пока напряжение обратной связи усилителя ограничителя тока, пропорциональное току нагрузки системы, превышает опорное напряжение усилителя схемы перераспределения тока V_{REF_share}. Затем усилитель начинает регулировать ток транзисторов M1 и M2. Ток транзистора M2 протекает через резистор R1, увеличивая напряжение обратной связи усилителя управления режимом постоянного тока, который в свою очередь, плавно снижает ток заряда батареи.

2.5. Схема измерения зарядного и разрядного тока

В большинстве представленных на рынке смартфонов для контроля состояния батареи используется счетчик заряда аккумулятора. Эта функция требует точного измерения токов заряда и разряда. Предложенная архитектура позволяет выполнять такие измерения с достаточной точностью, причем двумя способами. Для первого способа требуется датчик тока, в качестве которого используется внешний резистор, а второй способ основан на использовании переключателя потоков мощности.

На Рисунке 6а изображена упрощенная блок-схема цепи измерения тока заряда/разряда, использующая внешний резистор. Внешний резистор предпочтительнее внутреннего из-за лучшей температурной стабильности. Основная идея этого способа заключается в измерении небольшой части тока, отводимой в резистор R0 от тока, текущего через внешний резистор. Для измерений используется МДМ усилитель, смещение которого очень незначительно, и вклад в суммарную погрешность минимален. На резисторе R1 падает напряжение, пропорциональное току заряда/разряда. Недостатком этого способа является использование дополнительного внешнего элемента, занимающего площадь на печатной плате и увеличивающего общую стоимость системы.

Рисунок 6.	Измерение тока заряда/разряда: а) с использованием внешнего резисторного датчика; б) с использованием коммутатора потоков мощности.

Для расширения функциональных возможностей схемы мы добавили узел, измеряющий ток, который проходит через переключатель потоков мощности. Его упрощенная блок-схема изображена на Рисунке 6б. Принцип работы этой схемы такой же, как и схемы с внешним резистором. Отличие заключается в элементах компенсации. В данном случае небольшой ток отбирается P-канальным МОП транзистором, вольтамперная характеристика которого подобна характеристике переключателя потоков. Однако из-за малого сопротивления канала мощного транзистора паразитное сопротивление, обусловленное металлическими контактами, соединяющими сток и исток с выводами корпуса, увеличивает реальное сопротивление по сравнению со значением, использованным при моделировании. Эта паразитная составляющая общего сопротивления компенсируется металлическим резистором R0, без которого она заметно влияла бы на точность измерения зарядного и разрядного тока.

3. Результаты измерений

На основе 18-мкм КМОП процесса было изготовлено линейное зарядное устройство с параллельными потоками мощности, содержащее транзисторы с рабочими напряжениями 5 В и 28 В. Активная площадь кристалла составляет 1.4 мм² (Рисунок 7). Используемый в качестве Mpp1 28-вольтовый N-канальный МОП транзистор занимает площадь 0.25 мм² и имеет измеренное сопротивление открытого канала 360 мОм. Аналогичный транзистор, выполняющий функции Mpp2, имеет измеренное сопротивление открытого канала 460 мОм. Переключающий потоки мощности 5-вольтовый P-канальный МОП транзистор с измеренным сопротивлением 61 мОм занимает на кристалле 0.3 мм².

Рисунок 7.	Топология реализованной схемы зарядного устройства.

На Рисунке 8 представлены экспериментальные результаты, из которых видно, что после подстройки при комнатной температуре в диапазоне токов от 50 до 1200 мА точность поддержания тока заряда составляет ±2%, а ограничителя тока LDO – +10%/–1%. Образцы были настроены при токе 750 мА. При этом точность составила ±2% в диапазоне температур от –40 °C до 125 °C.

Рисунок 8.	Точность поддержания тока заряда батареи.

Схема адаптивного перераспределения проверялась при различных уровнях ограничения тока системного LDO и различных токах заряда батареи. На Рисунке 9 показаны зависимости входных и зарядных токов от тока внешней нагрузки при уровнях ограничения токов 1200 мА для LDO и 1150 мА для схемы заряда батареи. Как видно из графиков, с увеличением тока нагрузки ток заряда падает таким образом, что входной ток не превышает разрешенного уровня. Точность поддержания входного тока во время перераспределения потоков мощности составляет ±2.5% в температурном диапазоне от –40 °C до 125 °C.

Рисунок 9.	Операция распределения токов.

В схеме измерения тока используется компенсирующий металлический резистор, образованный сопротивлениями контактов и внешних столбиковых выводов. Представленные на Рисунке 10б результаты моделирования показывают, что компенсация вносит значительную ошибку в измерения тока, по сравнению со схемой на Рисунке 10а, где компенсирующий резистор отсутствует. Однако реальные измерения демонстрируют высокую точность (Рисунок 11), и, таким образом, можно заключить, что оценка требуемой величины компенсирующего элемента была сделана правильно. Точность измерения тока разряда батареи составила +6/–3%. Сводка основных параметров схемы предложенной архитектуры представлена в Таблице 1.

Рисунок 10.	Измерение тока разряда батареи через коммутатор потоков мощности: а) без компенсирующего металлического резистора; б) с компенсирующим металлическим резистором.

Рисунок 11.	Измерение тока разряда батареи через коммутатор потоков мощности.

4. Заключение

Целью представленной работы было создание зарядного устройства для Li-ion аккумуляторов, занимающего на кристалле кремния меньшую площадь, чем традиционные схемы при той же рассеиваемой мощности. Помимо этого, ставилась задача повышения эффективности заряда и разряда батареи. Для реализации этих целей мы использовали различные подходы к проектированию. Сокращение площади кристалла было достигнуто введением структуры с параллельными потоками мощности, основанной на N-канальных МОП транзисторах. Коммутатор потоков мощности и схема адаптивного перераспределения тока повышают эффективность процессов заряда и разряда батареи. Кроме того, предложенная схема измерения тока заряда/разряда, характеризующаяся относительно высокой точностью, позволяет использовать эту схему в комбинации с внешними системами измерения уровня заряда. Подобная комбинация может улучшить управление батареей портативного устройства.

Ссылки

1. Jia-na Lou; Xiao-bo Wu; Meng-lian Zhao; «Switch-mode multi-power-supply Li-ion battery charger with power-path management,» Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT), 2010 10th IEEE International Conference on , vol., no., pp.527-529, 1-4 Nov. 2010
2. Texas Instruments, 2009, 1.5A USB-Friendly Li-Ion battery charger and Power-Path Management IC, datasheet
3. Analog Devices, 2012, Tiny I2C Programmable Linear Battery Charger with Power Path and USB Mode Compatibility, datasheet
4. K. K. Vijeh, «Current, voltage and temperature govern Li-Ion battery charging», Planet Analog, June 2010
5. E. E. Potanina, V. Y. Potanin, «Li-Ion Battery Charger with Three-Parameter Regulation Loop», Power Electronics Specialists Conference 2005. PESC ’05. IEEE 36th, June 2005
6. B.D.Valle, C.T.Wentz and R.Sarpeshkar, «An Area and Power-Efficient Analog Li-Ion Battery Charger Circuit,» IEEE Trans.Biomedical Circuits and Systems,vol. 5, no. 2, Apr. 2011
7. C.C.Tsai, C.Y.Lin, Y.S.Hwang, W.T.Lee and T.Y.Lee, «A multi-mode, LDO-based Li-ion battery charger in 0.35μm CMOS technology,» in Proc. IEEE Asia-Pacific Conf. Circuits and Systems, Taiwan, Dec. 2004, pp.49-52.
8. F.Lima, J.N.Ramalho, D.Tavares, J.Duarte, C.Albuquerque, T.Marques, A.Geraldes, A.P.Kasimiro, G.Renkema, J.Been and W.Groeneveld, «A Novel Universal Battery Charger for NiCd, NiMH, Li-Ion and Li-Polymer,» in Proc 29th European. Solid-State Circuit Conf., Portugal,Sep.2003, pp.209-212.