Введение
Электроника с батарейным питанием создает множество проблем для инженера, занимающегося энергопитанием системы. В общем случае, часть схемы, относящаяся к батарее (до DC/DC преобразователя), может быть разделена на четыре секции: коммутирующую, зарядную (в случае использования аккумуляторов), контрольную и защитную. Коммутирующая секция осуществляет выбор одного из нескольких источников питания, доступных в типичной системе, таких как сетевой адаптер, порт USB и внутренняя батарея. При этом схема зарядки должна быть настроена на конкретный тип аккумулятора. Схема контроля следит за напряжением батареи, зарядом и температурой, использование значений которых наряду со схемой защиты повышает надежность устройства. В этой статье мы рассмотрим возможности и преимущества, предоставляемые новым микромощным устройством защиты батарей, идеально подходящим для различных приложений с аккумуляторным питанием – от автомобильного и медицинского оборудования до бытовой техники.
Особенности конструирования устройств с батарейным питанием
Даже простейшие проблемы, связанные с батареями, а не только пожары и взрывы, могут запятнать репутацию продукта. Поэтому вопросам, связанным с безопасностью батарей, необходимо уделять самое пристальное внимание. Для каждого аккумулятора указываются допустимые значения токов заряда и разряда. Превышение этих значений приводит к перегреву аккумулятора, который не только сокращает срок его службы, но и в худшем случае может стать причиной взрыва. От перегрузки по току схему можно защитить с помощью предохранителей, однако они громоздки, медленны и имеют большой разброс порогов срабатывания (Рисунок 1). Для защиты от необратимых повреждений аккумуляторы должны отключаться от нагрузки прежде, чем достигнут состояния глубокого разряда. Для Li-Ion аккумуляторов с напряжением 3.7 В этот уровень составляет примерно 2.5 В. Для отключения аккумулятора от нагрузки необходима функция блокировки при пониженном напряжении. Это можно сделать с помощью устройства, состоящего из компаратора, источника опорного напряжения и твердотельного ключа. Для включения P-канального MOSFET верхнего плеча не нужен зарядовый насос, что уменьшает расход заряда батареи, но выбор P-канальных MOSFET ограничен, и они более дороги, чем N-канальные при том же сопротивлении канала. Напротив, N-канальные MOSFET ключи нижнего плеча более эффективны, и могут использоваться, если линия «земли» не требует соединения с защитным заземлением. Порог блокировки при пониженном напряжении должен иметь достаточный гистерезис, в противном случае схема будет генерировать, циклически выключаясь, а затем вновь включаясь после восстановления напряжения батареи при отсоединенной нагрузке.
 |
||
| Рисунок 1. | Возможный вариант защиты батареи и нагрузки с помощью схемы на дискретных компонентах. |
|
Закончив с защитой аккумулятора, мы должны перейти к защите нагрузки. Ограничители бросков напряжения работают лишь в течение коротких отрезков времени, пока продолжается звон или выброс напряжения, но сгорают при длительных или постоянных перенапряжениях. Поэтому для защиты нагрузки от повышенного входного напряжения потребуется еще один компаратор. Если батарея подключена неправильно, и полярность перепутана, нагрузка, не способная противостоять отрицательным напряжениям, может быть повреждена. Для защиты от отрицательного напряжения часто включают последовательный диод. Однако этот диод рассеивает значительную мощность, а прямое падения напряжения существенно уменьшает напряжение на нагрузке.
Итак, мы видим, что для обеспечения комплексной защиты систем с батарейным питанием требуется множество дискретных компонентов и схем. В то же время, потребляемый этими схемами ток должен быть очень низким, чтобы не сокращать ресурс батареи. Например, модули автомобильной электроники должны иметь ток покоя менее 100 мкА, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею при длительной стоянке автомобиля. Для отключения от аккумуляторной батареи сильноточных схем могут использоваться реле. Кроме того, реле используются для включения и выключения нагрузки, однако их большие размеры препятствуют миниатюризации электронных схем. Очевидно, что необходим более эффективный и простой способ защиты.
Энергоэффективное решение для контроля и защиты систем с батарейным питанием
LTC4231 – это контроллер горячей замены с ультранизким током потребления, обеспечивающий безопасную установку и изъятие плат или батарей в системах с напряжением питания от 2.7 В до 36 В (Рисунок 2). Интервал 2.7 В … 36 В покрывает широкий диапазон типов аккумуляторов, включая свинцово кислотные, Li-Ion и многоэлементные NiMH, NiCad или щелочные батареи.
 |
||
| Рисунок 2. | Контроллер горячей замены и разъединитель нагрузки LTC4231, потребляющий всего 4 мкА, идеален для систем с батарейным питанием. |
|
LTC4231, управляя внешними N-канальными MOSFET с низкими сопротивлениями каналов, плавно заряжает конденсаторы печатной платы, не допуская искрения, обгорания контактов разъемов и сбоев системы. Параметры мягкого запуска и предельный уровень пускового тока легко устанавливаются с помощью RC-цепочки, подключенной к затвору MOSFET. В нормальном режиме работы (MOSFET полностью открыты) синхронизируемый разъединитель цепи и схема быстрого ограничения тока обеспечивают двухуровневую защиту от перегрузки по току. При небольших перегрузках активируется таймер отказов, и по истечении задаваемого им временного интервала открывается MOSFET, который отключает нагрузку. При тяжелых перегрузках или при коротких замыканиях активируется таймер отказов, а ток нагрузки ограничивается на уровне 60% от порога срабатывания разъединителя. В зависимости от варианта исполнения микросхемы, LTC4231 после перегрузки либо остается выключенной (LTC4231-1), либо автоматически включается после охлаждения в течение 500 мс (LTC4231-2).
Цепь защиты от пониженного напряжения отключает батареи, не допуская их глубокого разряда, а регулируемый гистерезис предотвращает генерацию при восстановлении батареи после удаления нагрузки. Узел защиты от повышенного напряжения отсоединяет нагрузку, предохраняя ее от повреждения. Кроме того, управляя встречно включенными N-канальными MOSFET (Рисунок 3), LTC4231 защищает последующие цепи от переполюсовки батарей с напряжением до 40 В. Если защита от переполюсовки не нужна, будет достаточно одного MOSFET.
 |
||
| Рисунок 3. | Когда батарея подключена неправильно, то есть, входное напряжение равно –24 В, LTC4231 защищает нагрузку, блокируя прохождение отрицательного напряжения на выход. Для защиты от переполюсовки используются встречно включенные MOSFET (показанные на Рисунке 2). |
|
Несмотря на столь большое количество выполняемых функций, устройство в нормальном режиме работы потребляет менее 4 мкА, а при переходе в режим останова ток уменьшается до 0.3 мкА, и выключается внешний N-канальный MOSFET, чтобы отсоединить нагрузку и не расходовать энергию батарей. Для снижения рабочего тока резистивные делители, задающие пороги включения защиты при повышенном и пониженном напряжении, подключаются к стробируемой земле, благодаря чему протекающий через них средний ток уменьшается в 50 раз.
Технологии снижения собственного тока потребления
 |
||
| Рисунок 4. | Для снижения потребляемого тока LTC4231 периодически активирует зарядовый насос лишь на время, необходимое для восстановления напряжения на затворе MOSFET. |
|
В LTC4231 реализованы две инновационные технологии, снижающие потребляемый ток во время нормального режима работы, и обеспечивающие уровень защиты, не худший, чем у других устройств, потребляющих несоизмеримо бóльшие токи. Для включения внешнего N-канального MOSFET и снижения сопротивления его канала в LTC4231 используется внутренний зарядовый насос, за счет которого напряжение на затворе превышает входное напряжение не менее чем на 10 В. В других контроллерах зарядовый насос работает постоянно, даже после того, как поданный на затвор управляющий сигнал открыл транзистор, то есть, фактически на холостом ходу, что существенно увеличивает потребление тока. Напротив, LTC4231 отключает зарядовый насос после того, как напряжение на затворе MOSFET достигнет пикового значения. Если напряжение на затворе снижается вследствие утечки, зарядовый насос включается, чтобы передать импульс заряда и восстановить напряжение затвора. Это иллюстрируется Рисунками 4 и 5 для токов утечки затвора 0.1 мкА и 1 мкА. Такая технология позволяет уменьшить потребляемый зарядовым насосом ток в 50…100 раз, поскольку ток 200 мкА включенного зарядового насоса в спящем режиме падает до 2 мкА.
 |
||
| Рисунок 5. | Период регенерации напряжения затвора MOSFET показан для двух различных значений токов утечки. (Здесь ΔVGATE – напряжение затвор-исток; IGATE – ток утечки затвора; ICC – ток, потребляемый микросхемой LTC4231). |
|
Второй способ снижения потребляемого LTC4231 тока основан на периодической, каждые 10 мс, выборке входного напряжения и сравнения его с порогами недо- и перенапряжения. Для этого внешний резистивный делитель напряжения подключается к земле не напрямую, а через стробируемый узел GNDSW (Рисунок 6). Периодическая выборка снижает ток, потребляемый делителем, в 50 раз, что определятся соотношением периода выборки (10 мс) и окна выборки (200 мкс). Компараторы, контролирующие выводы UVL, UVH и OV, включаются только во время окна выборки, благодаря чему потребляемый ими средний ток также уменьшается в 50 раз. Периода выборки 10 мс для устройств с батарейным питанием вполне достаточно, поскольку напряжение на батарее меняется медленно. Однако если выход напряжения за верхнюю или нижнюю границу разрешенного диапазона фиксируется при включении системы, LTC4231 удерживает MOSFET в закрытом состоянии, чтобы исключить проникновение недопустимого напряжения в нагрузку.
 |
||
| Рисунок 6. | Для снижения потребляемого тока в 50 раз напряжения сравниваются с порогами только внутри окон 200 мкс каждые 10 мс (коэффициент заполнения 2%). На время выборки вывод GNDSW подключается к шине GND через внутренний ключ с сопротивлением 80 Ом. |
|
Заключение
Функциональность, портативность и удобство пользования множества новых электронных приложений – беспроводных датчиков, спортивных браслетов, очков виртуальной реальности, дронов, роботов – требуют использования в них автономного питания. Аккумуляторы с высокой плотностью энергии, такие как Li-Ion, в глазах общественного мнения являются источником опасности. LTC4231 обеспечивает простое, компактное и надежное микромощное решение для горячего подключения и замены батарей, особенно в энергоемких приложениях, защищая систему от глубокого разряда аккумуляторов, перегрузки или короткого замыкания выхода, перенапряжения и неправильной полярности подключения батарей.
