Монолитное линейное зарядное устройство работает при входных напряжениях до 60 В

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2016

Joshua Yee, Linear Technology

Design Note 535

Введение

Для зарядки аккумуляторов относительно небольшой емкости или для управления резервным питанием и батареями поддержки используются преимущественно линейные зарядные устройства, как более простые, компактные и доступные. Однако во многих промышленных и автомобильных системах, питающихся входным напряжением 10 В или выше, линейные зарядные устройства использоваться не могут.

Для работы при высоких напряжениях годятся некоторые решения, основанные на использовании переключательного режима, обеспечивающего большие токи и хороший КПД, но из-за сложности и размеров этот подход малопривлекателен. И, наконец, импульсные устройства, как правило, избыточны для небольших токов, необходимых в поддерживающих системах или в зарядных устройствах резервных аккумуляторов. Кроме того, лишь очень немногие из них пригодны для автомобильных и промышленных приложений с рабочими напряжениями до 60 В.

Рисунок 1.	Линейное автономное зарядное устройство с широким диапазоном входных напряжений для двухэлементного резервного Li-Ion аккумулятора.

Автономное зарядное устройство LTC4079 может питаться любым постоянным напряжением от 2.7 В до 60 В и поддерживать режимы зарядки постоянным током или постоянным напряжением непосредственно от системных шин 12 В и 24 В, или даже от промышленных источников 48 В. Сочетание простоты и надежности хорошо соответствует требованиям, предъявляемым к вспомогательным системам или резервным аккумуляторам, используемым в таких условиях. Пример простого зарядного устройства для Li-Ion батарей представлен на Рисунке 1.

Элегантное сочетание стойкости и гибкости

Требуемое напряжение зарядки LTC4079 в гибко устанавливается внешним резистором. Схема сохраняет устойчивость во всем диапазоне входных напряжений при минимальных значениях входных и выходных емкостей.

С помощью одного резистора, подключенного к выводу PROG, задается величина зарядного тока до 250 мА и может поддерживаться на уровне, пропорциональном напряжению PROG. В микросхеме используются привычные критерии прекращения зарядки: по таймеру, по временнóму интервалу, установленному конденсатором на выводе TIMER, или, при заземленном входе TIMER, по снижению тока до уровня C/10. При любом методе управления окончание заряда индицируется сигналом на выводе /CHRG. Времязадающий конденсатор также используется для обнаружения неисправности аккумулятора.

Рисунок 2.	Законченная демонстрационная плата с микросхемой LTC4079.

Для контроля температуры в процессе зарядки – последней функции, необходимой для создания законченной схемы управления зарядом – предусмотрены входы подключения термистора NTC и NTCBIAS. Интеграция в корпусе DFN размером 3 мм × 3 мм последовательного регулирующего элемента позволяет создавать компактные и полные решения. Изображенная на Рисунке 2 схема, реализующая все перечисленные выше функции, занимает очень небольшую площадь.

Инновационная технология регулирования

LTC4079 содержит множество новых функций, отсутствующих в традиционных зарядных устройствах с несколькими методами управления током заряда. Прежде всего, для источников с широким диапазоном, но слаботочных или высокоимпедансных, входное напряжение может регулироваться, по меньшей мере, до уровня, превышающего напряжение батареи на 160 мВ. Чтобы не допустить провала входного напряжения ниже этого уровня, оно регулируется путем снижения зарядного тока. Для использования этой схемы внутреннего регулирования не требуется никаких внешних компонентов. На Рисунке 3 приведен пример термокомпенсированного устройства для постоянной зарядки 12-вольтовой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи от солнечной панели, хотя схема может использоваться с любыми возможными комбинациями напряжений на входе и батарее.

Наличие в LTC4079 контура регулирования дифференциального напряжения (то есть, напряжения V_IN – V_BAT) особенно полезно, когда очень маломощные источники, такие как сборщики энергии или небольшие солнечные панели, не способны непрерывно поддерживать минимальный уровень зарядного тока 10 мА. Вместо отчасти произвольного прекращения зарядки при понижении входного напряжения, эта функция продолжает зарядку по мере возможности, более эффективно используя доступную выходную мощность.

Для более определенного задания порогового значения входного напряжения можно использовать резистивный делитель, подключенный к входу разрешения EN. Когда уровень входного напряжения достигает этого порога, зарядный ток уменьшается, тем самым предотвращая дальнейшую перегрузку источника. Таким образом вход разрешения может использоваться для установки минимального рабочего напряжения в соответствии с характеристиками конкретного источника.

Рисунок 3.	Входное напряжение регулируется для предотвращения провалов напряжения источника при перегрузке.

Последний метод регулирования тока – тепловое регулирование – имеет значение для любого монолитного устройства, но для линейного регулятора должен быть обязательным. В первую очередь это необходимо в тяжелых условиях окружающей среды и в случаях, когда напряжение заряда намного ниже номинального входного напряжения. Зарядный ток снижается до тех пор, пока температура перехода микросхемы не опустится ниже 118 °C. В примере на Рисунке 3 стабилизация входного напряжения защищает от перегрузки слабые входные источники.

Низкий ток покоя

Собственный ток, потребляемый LTC4079 во время зарядки, составляет всего 4 мкА, обеспечивая перенос максимума энергии от источника к аккумулятору. Это особенно важно при передаче энергии от батареи большей емкости к батарее резервного питания меньшей емкости. В системах резервного батарейного питания делитель напряжения обратной связи из схемы исключается, чтобы, снизив ток до типового значения 10 нА, дополнительно разгрузить аккумулятор и гарантировать, что в режиме долгосрочного ожидания или хранения всей батарейной системы не произойдет неожиданной деградации емкости. LTC4079 особенно подходит для устройств, требующих редкого обслуживания, или вообще эксплуатируемых по принципу «установил и забыл».

Заключение

Компактная и универсальная конструкция LTC4079 идеально подходит для поддержки и зарядки вспомогательных аккумуляторов, но не ограничивается лишь этими приложениями. Богатый набор функций позволяет легко адаптировать эту микросхему к любому сценарию зарядки в устройствах промышленной, автомобильной, солнечной, медицинской, аэрокосмической, военной и потребительской электроники.

Материалы по теме