Paul Pickering
Electronic Design
Рассмотрим еще два наиболее важных блока СУАБ для портативных и носимых устройств: зарядное устройство и измеритель уровня заряда.
Зарядное устройство
Зарядное устройство должно постоянно контролировать состояние литий-ионного аккумулятора в процессе зарядки, чтобы поддерживать его в области безопасной работы.
Как мы упоминали ранее, литий-ионные элементы очень чувствительны к выходу за пределы области безопасной работы, и зарядное устройство должно точно соблюдать последовательность этапов зарядки. Например, глубоко разряженная батарея не может без перегрева принять полный зарядный ток, поэтому зарядка начинается с подготовительной фазы, заключающейся в подаче в течение определенного времени заранее заданного тока меньшей величины. И только после того, как напряжение на батарее поднимется до безопасного уровня, зарядное устройство резко увеличивает напряжение до заданного значения, одновременно контролируя температуру микросхемы, чтобы не допустить ее перегрева. Это называется этапом термостабилизации.
На этапе «быстрой зарядки» аккумулятор заряжается предустановленным стабилизированным током, величина которого зависит от его емкости батареи. При этом напряжение батареи постепенно увеличивается, пока не достигнет, в зависимости от электрохимической схемы, значения 4.1 В или 4.2 В.
На следующем этапе для предотвращения перезаряда зарядное устройство переключается в режим стабилизации напряжения. При постоянном напряжении батареи, по мере увеличения ее заряда, зарядный ток постепенно уменьшается. Когда ток достигает величины отключения, процесс зарядки прекращается. Как мы уже видели, для носимого устройства точный контроль тока окончания заряда является обязательным условием максимального использования емкости батареи.
Texas Instruments выпускает несколько зарядных устройств, подходящих для портативного и носимого оборудования. Например, для самых миниатюрных аккумуляторов, используемых в слуховых аппаратах, хорошим выбором будут микросхемы семейства bq2510x (Рисунок 4). Эти высокоинтегрированные компактные контроллеры одноэлементных литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, выпускаемые в корпусах на основе перевернутого кристалла с размерами 1.6 мм × 0.9 мм, позволяют создать законченное решение на плате площадью всего 2.1 мм × 2.2 мм. Ток окончания заряда bq2510x составляет менее 1 мА, что дает возможность максимально использовать доступную емкость, а сверхнизкий ток утечки не превышает 75 нА.
 |
||
| Рисунок 4. | Контроллер Bq25100 может поддерживать выходное напряжение с точностью 1% и обеспечивать зарядный ток до 250 мА с точностью до 10%. Дополнительная RC-цепочка улучшает стабильность тока при значениях менее 50 мА. |
|
На Рисунке 5 показан профиль заряда, реализуемый микросхемой bq2510x. Высокая гибкость зарядного устройства позволяет разработчику программировать ток предварительного и быстрого заряда, а также ток отключения. Микросхема может работать как от USB-порта (с ограничением потребления на уровне 100 мА), так и от сетевого адаптера. В число встроенных системных функций безопасности bq2510x входят блокировка при повышенном входном напряжении и тепловая защита. Кроме того, микросхема позволяет контролировать температуру батареи с помощью внешнего терморезистора, подключаемого к выводу TS.
 |
||
| Рисунок 5. | Контроллеры семейства bq2510x поддерживают точный профиль зарядки, гарантирующий безопасную работу и максимальный срок службы аккумуляторной батареи. |
|
Приложениям с аккумуляторами большей емкости необходимы зарядные токи большей величины. В таких случаях можно использовать контроллер bq24040, обеспечивающий выходной ток от 10 мА до 1 А при токе отключения 6 мА. Законченное решение, выполненное на основе этого контроллера, занимает на плате площадь 2.5 мм × 3.5 мм. Эти популярные линейные зарядные контроллеры для маломощных приложений имеют ряд полезных функций, в числе которых индикатор статуса зарядки и программируемые уровни токов предзаряда и отключения.
Напряжение зарядки литий-ионного элемента зависит от его электрохимической схемы. Например, для элементов с катодом из оксида никель-марганец-кобальта эта величина равна 4.2 В, поэтому возможность выбора зарядного напряжения имеет большое значение для разработчиков. В зависимости от модификации, микросхемы семейства bq24040 могут поддерживать зарядные напряжения 4.2 В и 4.35 В, а bq2510x – 4.06 В, 4.2 В, 4.3 В и 4.35 В.
Измеритель уровня заряда
Еще одним ключевым компонентом СУАБ носимых устройств является измеритель уровня заряда. Этот компонент прогнозирует количество оставшегося заряда и другие характеристики одноэлементного литий-ионного аккумулятора. Количество оставшейся энергии обычно определяется в виде степени зарядки и может принимать значения от 0% (аккумулятор разряжен) до 100% (полный заряд). Кроме того, измеритель выполняет оценку текущего состояния батареи, позволяющую прогнозировать остаточный срок ее эксплуатации.
Ключевой частью высокоточных измерителей уровня заряда Texas Instruments является запатентованный алгоритм слежения за внутренним сопротивлением элементов (Impedance Track). Этот алгоритм различает три состояния батареи: заряд, релаксация (отсутствие нагрузки) и разряд. Во время заряда и разряда он измеряет протекающий ток, и ежесекундно перерасчитывает изменение глубины разряда. Обнаружив состояние релаксации, алгоритм измеряет напряжение холостого хода, корректирует любой остаточный ток, а затем обновляет исходное значение глубины разряда путем линейной интерполяции с помощью таблицы, учитывающей химическую структуру конкретного аккумулятора.
Этот алгоритм позволяет на протяжении всего срока службы батареи с высокой точностью предсказывать количество заряда в самых разных условиях эксплуатации.
Самым малопотребляющим измерителем уровня заряда одноэлементных литий-ионных аккумуляторов является выпускаемая Texas Instruments микросхема bq27421-G1 (Рисунок 6), поддерживающая технологию Impedance Track. Она выпускается в идеальном для носимых приложений корпусе на основе перевернутого кристалла с размерами 1.62 мм × 1.58 мм, имеющем девять шариковых контактов, расположенных с шагом 0.5 мм. Определение степени заряда и разряда батареи основано на измерении напряжения, падающего на интегрированном токоизмерительном резисторе сопротивлением 7 мОм, с помощью метода, называемого подсчетом кулонов.
 |
||
| Рисунок 6. | Измеритель уровня bq27421-G1 определяет количество заряда и оставшийся срок службы аккумулятора с минимальным вовлечением микроконтроллера. |
|
Для оценки температуры аккумулятора Bq27421-G1 содержит встроенный датчик. Альтернативно, информация о температуре может быть предоставлена системным микроконтроллером.
Кроме того, bq27421-G1 имеет несколько режимов низкого энергопотребления, улучшающих КПД системы: инициализация, нормальный режим, останов и сон. При этом в спящем режиме прибор потребляет всего 600 нА, что пренебрежимо мало по сравнению с током саморазряда литий-ионного элемента.
Bq27421-G1 прост и гибок в настройке и выборе типа аккумуляторной батареи. Информацию о глубине разряда системный микроконтроллер может получать с помощью стандартной последовательной шины I2C.
Заключение
Постоянно расширяющийся список необходимых функций, жестко ограниченное пространство для размещения элемента питания и требование увеличения времени работы носимого устройства ставят перед разработчиком системы питания сложную задачу. Чтобы максимально использовать доступную емкость, необходим системный подход к повышению энергоэффективности в сочетании со специальными компонентами, жестко контролирующими работу батареи при минимальном потреблении энергии.
Портфель продуктов Texas Instruments для управления одноэлементными аккумуляторами предоставляет разработчикам, желающим создавать компактные приборы, множество вариантов выбора, которые позволяют максимально увеличить время работы носимых приложений.
Купить bq24040 на РадиоЛоцман.Цены
