Интегральное зарядное устройство для Li-Ion аккумуляторов с коммутатором, управляющим распределением мощности между параллельными потоками. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2013

Sergei Strik, Viktor Strik, Texas Instruments

Аннотация

В статье описано линейное зарядное устройство с коммутатором, управляющим распределением мощности между параллельными потоками. Использование параллельной структуры позволяет сократить площадь схемы и, в отличие от обычных линейных зарядных устройств, поддерживать напряжение в системе на постоянном уровне при любой степени заряда аккумулятора. Кроме того, функция адаптивного распределения тока между аккумулятором и системой повышает скорость заряда до максимально разрешенной. Коммутатор потоков мощности дает возможность заряжать аккумулятор и питать систему одновременно и независимо. Это снижает количество циклов заряда и разряда аккумулятора и обеспечивает поддержание работоспособности устройства в отсутствие батареи или при ее повреждении. Более того, предлагаемая схема не нуждается во внешнем резисторе для измерения зарядного и разрядного тока. Зарядное устройство для Li-Ion аккумуляторов создано на основе КМОП технологии с проектными нормами 0.18 мкм, с двойным слоем поликристаллического кремния, пятью слоями металлизации и комбинацией различных блоков с напряжением питания 1.8, 5 и 28 В.

1. Введение

С каждым днем появляется все больше разнообразных портативных устройств. Для работы любого из них требуются перезаряжаемые устройства накопления энергии, лучшими из которых на сегодняшний день являются батареи Li-ion аккумуляторов – одно- или многоэлементные. Соответственно, каждому портативному устройству требуется зарядное устройство, а зарядному устройству – микросхема. Из-за больших уровней токов зарядные устройства занимают значительный объем. В то же время, общей тенденцией микроэлектроники является сокращение размеров. Поэтому микросхема управления зарядным устройством должна иметь как можно меньшие размеры.

В описываемом зарядном устройстве использована структура с параллельными потоками мощности, позволяющая при той же рассеиваемой мощности сократить ее размеры по сравнению с традиционными линейными зарядными устройствами с последовательным потоком мощности.

Также весьма важной характеристикой является скорость заряда Li-ion аккумулятора. Для увеличения скорости необходимо с максимально возможной эффективностью распределять токи между аккумулятором и внутренними цепями портативного устройства. Обсуждаемая нами архитектура основана на адаптивном перераспределении тока. Это позволяет увеличивать ток заряда аккумулятора в то время, когда потребление тока устройством падает. Кроме того, мы повышаем эффективность использования аккумулятора с помощью переключателя потоков мощности, изолирующего аккумулятор от системы при подключенном сетевом адаптере.

Предложенная архитектура позволяет с относительно высокой точностью измерять величины зарядного и разрядного токов, получая информацию, которая может использоваться для измерения степени заряда аккумулятора.

Получившаяся в итоге схема линейного зарядного устройства занимает меньшую площадь кристалла и обеспечивает более высокую эффективность заряда аккумуляторов.

2. Предполагаемое описание зарядного устройства

2.1. Параллельные потоки мощности

В традиционных устройствах заряда аккумуляторов используется показанная на Рисунке 1а архитектура с последовательными потоками мощности [1], [2], [3]. Хотя по количеству требуемых MOSFET эта конфигурация не отличается от варианта с параллельным распределением мощности (Рисунок 1б), занимаемая ею площадь заметно больше. В линейных зарядных устройствах силовые MOSFET, поддерживая постоянный уровень тока, работают в линейном режиме. Напряжение между стоком и истоком транзистора при этом равно

(1)

где

V_GS – напряжение сток-затвор MOSFET,
V_T – пороговое напряжение MOSFET,
V_DS – напряжение сток-исток MOSFET,
β – можно выразить как

(2)

где

W – ширина канала MOSFET,
L – длина канала MOSFET,
μ – подвижность носителей в канале MOSFET,
C_OX – можно представить выражением

(3)

где

ε – диэлектрическая проницаемость кремния,
ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума,
D – толщина оксидного слоя.

Рисунок 1.	Распределение мощности в структуре с последовательным (а) и параллельным (б) потоком.

Минимальные размеры мощного транзистора ограничены минимальным значением его напряжения сток-исток V_DS, определяющим границы линейного участка рабочей области при максимальном токе стока I_DS. В показанной на Рисунке 1а структуре с последовательным потоком мощности максимальный ток сток-исток I_DS мощного МОП транзистора Mps1 определяется максимальным током, получаемым от входа сетевого адаптера, то есть

I_DS,Mps1 = I_IN.

В свою очередь, входной ток является суммой максимального тока заряда аккумулятора и максимального тока, потребляемого нагрузкой системы:

I_IN = I_{SYS + ICHG}.

В последовательной структуре напряжение системы V_SYS всегда превышает напряжение аккумулятора на величину падения напряжения на Mps2. Когда напряжение на аккумуляторе достигнет установленного предела V_TERM, напряжение системы будет максимальным и равным

V_SYS = V_TERM + V_DS,Mps2.

Минимальное падение напряжения на Mps1 равно

V_DS,Mps1 = V_DC – V_SYS.

На основании выражений (1) – (3) можно определить минимально необходимые размеры транзистора Mps1:

(4)

Через второй мощный МОП транзистор Mps2 протекает максимальный ток сток-исток, равный максимальному зарядному току аккумулятора:

I_ds,Mps2 = I_CHG.

Минимальное падение напряжения на Mps2 равно

V_ds,Mps2 = V_SYS – V_TERM.

Отсюда следует, что минимально необходимые размеры Mps2 равны

(5)

В структуре с параллельными потоками мощности максимальное значение тока IDS транзистора Mpp1 (Рисунок 1б) определяется максимальным током нагрузки системы:

I_DS = I_SYS.

Минимальное напряжение V_DS зависит от напряжения системы V_SYS и может быть представлено как

V_DS = V_DC – V_SYS.

Такой подход, в отличие от последовательной структуры, позволяет системе оставаться независимой от напряжения аккумулятора. Используя (5), можно оценить минимально необходимые размеры Mpp1:

(6)

Максимальный ток сток-исток транзистора Mpp2 равен

I_DS = I_CHG,

а минимальное напряжение

V_DS = V_DC – V_TERM.

Таким образом, минимально необходимый размер Mpp2 равен

(7)

Из выражений (4) – (7) видно, что два мощных МОП транзистора параллельной структуры занимают меньшую площадь, чем один транзистор Mps1 в последовательной структуре. Однако в параллельном устройстве заряда отсутствует связь между аккумулятором и системой, а при отключенном зарядном устройстве система должна как-то получать питание от батареи. По этой причине в схему был добавлен транзисторный переключатель потоков мощности, показанный на Рисунке 2. В процессе заряда транзистор этого переключателя не участвует, а работает как ключ, изолирующий аккумулятор от системы. Если батарея полностью заряжена, а сетевой адаптер остается подключенным, вся мощность забирается только от адаптера, и аккумулятор оказывается полностью защищенным от ненужных циклов заряда/разряда. Для снижения мощности, рассеиваемой переключателем потоков во время разряда аккумулятора, его сопротивление во включенном состоянии должно быть минимизировано. В последовательных линейных зарядных устройствах транзистор Mps2 работает как переключатель потоков мощности в линейной структуре. Чтобы быть точным в сравнении двух архитектур, предположим, что мощность, рассеиваемая на ключе в режиме разряда одинакова, и, соответственно, для Mps2 и переключателя потоков требуется одинаковая площадь на кристалле.

Рисунок 2.	Переключатель потоков мощности в параллельной структуре.

Тем не менее, параллельная структура с точки зрения занимаемой площади остается более эффективной благодаря меньшему суммарному размеру транзисторов Mpp1 и Mpp2 по сравнению с Mps1. Независимое и постоянное напряжение системы также можно считать преимуществом параллельной структуры.

2.2. Схема зарядного устройства

Первый из двух параллельных путей передачи мощности предложенного линейного устройства обслуживает заряд аккумулятора. Линейные устройства заряда могут работать в трех режимах: поддержания постоянного тока (CC), поддержания постоянного напряжения (CV) и управления температурой. Последний режим предохраняет схему от перегрева [4]. На трех усилителях сигналов ошибки, имеющих выходы с открытым стоком, создана последовательность контуров регулирования. Объединенные вместе выходы выполняют мажоритарную функцию по отношению к трем аналоговым входным сигналам [5]. На Рисунке 3 показаны основные элементы предлагаемой схемы. Усилитель ошибки CC управляет силовым MOSFET во время протекания через него установленного зарядного тока. Усилитель ошибки CV вступает в работу, когда напряжение на аккумуляторе достигает заданного предельного значения. Усилитель в контуре регулирования температуры включается, когда температура, измеренная датчиком, достигает максимально допустимого уровня. В этом случае зарядный ток начинает плавно снижаться до тех пор, пока температура не вернется к нормальному значению.

Рисунок 3.	Блок-схема предлагаемой схемы управления зарядом.

В линейных зарядных устройствах в качестве силового элемента часто используется P-канальный МОП транзистор [6], [7], [8]. Его размеры определяются требуемым падением напряжения сток-исток при максимальном зарядном токе, или, иными словами, сопротивлением сток-исток Rds. Однако у N-канальных МОП транзисторов это сопротивление при одинаковых размерах меньше, чем у P-канальных, из-за лучшей подвижности носителей. Поэтому для сокращения размеров схемы регулирующий элемент мы сделали на N-канальном транзисторе. Он управляется простым зарядовым насосом, выходное напряжение которого достаточно велико для уверенного управления транзистором, даже при максимальном напряжении батареи.

Окончание