РадиоЛоцман - Все об электронике

Зарядное устройство с повышенной удельной мощностью на основе трехуровневого понижающего преобразователя. Часть 2 - Сравнение схемотехнических решений

Texas Instruments BQ25910 BQ25898

Часть 1

Анализ потерь в пассивных компонентах

Потери в пассивных компонентах состоят из потерь в дросселе и емкостных накопителях, причем, из-за доступности керамических конденсаторов с малым эквивалентным последовательным сопротивлением (меньше 20 мОм) потери в этих элементах можно довести до пренебрежимо малого уровня. Характеристики входного и выходного конденсаторов выбираются на основании допустимого уровня пульсаций напряжений и токов во входных и выходных цепях, поэтому можно считать, что для обоих преобразователей они одинаковы.

Держим старые цены на MEAN WELL весь июль!

А вот требования к конденсатору CFLY для достижения приемлемых уровней пульсаций напряжения и тока в трехуровневой схеме являются достаточно жесткими. Следует отметить, что поддержание напряжения на этом конденсаторе на уровне VIN/2 во время переходных процессов, при малых нагрузках, а также при коэффициенте заполнения D = 100% является не самой простой задачей, для решения которой требуется применять патентованные решения, не показанные на Рисунке 2. Типовая форма тока конденсатора CFLY показана на Рисунке 6. На этом же рисунке приведена диаграмма тока дросселя, позволяющая сравнить размах пульсаций тока конденсатора ∆IFLY с размахом пульсаций тока дросселя ∆IL.

Диаграммы напряжения и тока конденсатора CFLY и тока дросселя IL.
Рисунок 6. Диаграммы напряжения и тока конденсатора CFLY и тока дросселя IL.

Размахи пульсаций напряжения и тока конденсатора CFLY можно определить по формулам (2) и (3):

  (2)
  (3)

Пульсации напряжения на конденсаторе CFLY увеличиваются с ростом выходного тока и максимальны при коэффициенте заполнения D = 0.5, когда ток конденсатора IC(FLY) равен току нагрузки. Диэлектрик этого конденсатора должен выдерживать напряжение не менее половины напряжения питания с учетом наличия постоянного смещения и возможной деградации свойств из-за разогрева. Для обеспечения стабильности схемы размах пульсаций напряжения ∆VC(FLY) должен быть не более 10% от величины VIN/2. Эти особенности являются достаточно жесткими, поэтому физические размеры и максимально допустимый среднеквадратичный ток конденсатора CFLY для обеспечения длительного срока службы в условиях повышенной температуры должны быть достаточно большими.

Потери в дросселе состоят из потерь в магнитопроводе PCORE и потерь в обмотке PDCR. Потери в обмотке PDCR увеличиваются с ростом индуктивности, величина которой во многом зависит от частоты изменения приложенного напряжения fSW.

Сдвиг фазы переключения транзисторов Q3 и Q4 на 180° приводит к удвоению частоты напряжения на выводах дросселя. Кроме того, при напряжении на конденсаторе CFLY, равном VIN/2, напряжение на обмотке дросселя уменьшается в два раза. Подобное сочетание факторов приводит к четырехкратному уменьшению размаха пульсаций в обмотке при тех же индуктивности и частоте переключения транзисторов. Это хорошо видно на Рисунке 7, на котором показаны зависимости размаха пульсаций тока в обмотке дросселя от коэффициента заполнения D.

Зависимости размаха пульсации тока в обмотке дросселя от коэффициента заполнения D.
Рисунок 7. Зависимости размаха пульсации тока в обмотке дросселя
от коэффициента заполнения D.

Для трехуровневого преобразователя требуемую индуктивность дросселя можно определить по формуле (4), а величину потерь в обмотке – по формуле (5):

  (4)
  (5)

Анализ формулы (5) показывает, что при K = 20…40% наличие пульсаций тока в обмотке мало влияет на ее разогрев. Как и в двухуровневом преобразователе, наибольшее влияние на величину мощности потерь имеет сопротивление обмотки постоянному току. Как было сказано выше, в трехуровневом преобразователе величина пульсаций тока в четыре раза меньше, чем в двухуровневой схеме. Если требования нагрузки к уровню пульсаций в обеих схемах одинаковы, то в трехуровневом преобразователе можно использовать дроссель с индуктивностью в четыре раза меньшей, чем в двухуровневой схеме. Очевидно, что такой индуктивный компонент будет более компактным.

Если предположить, что активное сопротивление дросселя пропорционально его индуктивности, то можно считать, что в трехуровневом преобразователе потери в обмотке дросселя PDCR-3L будут в четыре раза меньше, чем в двухуровневой схеме (PDCR-3L = PDCR-2L/4). А если учесть, что дроссель при этом будет иметь меньшие размеры, то можно сделать вывод, что трехуровневый преобразователь должен иметь более высокую удельную мощность.

Сравнение зарядных устройств с разной схемотехникой силовой части

Для сравнительной оценки характеристик рассматриваемых схем было создано два зарядных устройства, рассчитанных на работу с одноэлементным аккумулятором. Трехуровневый преобразователь с выходным током до 5 А был собран на основе одной из последних моделей контроллеров компании Texas Instruments – BQ25910. Основой двухуровневого преобразователя с выходным током до 4 А стала микросхема BQ25898, изготовленная по традиционным технологиям. Размеры корпусов обеих микросхем приблизительно одинаковы, однако рабочая частота контроллера BQ25898 (fSW = 1.5 МГц) была выбрана в два раза больше рабочей частоты трехуровневого преобразователя на основе BQ25910 (fSW = 750 кГц). Из-за этого индуктивность дросселя трехуровневой схемы (470 нГн) всего лишь в два, а не в четыре раза меньше индуктивности дросселя двухуровневого преобразователя (1 мкГн), при этом величины тока насыщения и активного сопротивления обоих индуктивных элементов приблизительно одинаковы.

Относительный размер площади печатной платы, занимаемой компонентами двух зарядных устройств, приведен в Таблице 2. Для упрощения анализа в этой таблице показаны только элементы, имеющие отличия в разных схемах. Компоненты, имеющие одинаковые размеры, например, входной конденсатор или фильтрующие конденсаторы в цепях LDO стабилизаторов и выводов PMID в эту таблицу не включены. При проведении сравнительной оценки также не учитывалась площадь, занимаемая соединительными проводниками.

Таблица 2.  Площадь, занимаемая компонентами преобразователей на печатных платах

Преобразователь

Площадь, занимаемая на печатной плате, мм2 Разница, %
Контроллер Дроссель CFLY CBAT CAUX Общая
BQ25898 (2L) 7.0 17.6 0.0 1.3 0.0 25.9
BQ25910 (3L) 5.9 5.5 2.6 0.5 16.5 –36.3

Как видно из Таблицы 2, даже при наличии дополнительных конденсаторов элементы зарядного устройства на основе трехуровневого преобразователя можно расположить на печатной плате с площадью на 36% меньшей, чем при использовании традиционных технологий. При этом не следует забывать, что в обоих преобразователях были использованы дроссели с практически одинаковыми активными сопротивлениями, а в схеме на основе BQ25910 должны быть установлены дополнительные полевые транзисторы в цепи аккумулятора.

Результаты расчета мощности потерь в элементах преобразователей, полученные по формулам Таблицы 1 с подстановкой реальных характеристик использованных микросхем, приведены на Рисунке 8. Обратите внимание, что в обеих схемах потери в дросселе вносят весомый вклад в общий уровень тепловыделения.

Результаты расчета потерь PLOSS в элементах преобразователей.
Рисунок 8. Результаты расчета потерь PLOSS в элементах
преобразователей.

Результаты измерений КПД обоих преобразователей при входном и выходном напряжениях, равных, соответственно, 9 В и 3.8 В, показаны на Рисунке 9а, а зависимости потерь в их компонентах – на Рисунке 9б. Как видно из графиков, при токе заряда 3 А КПД зарядного устройства на основе BQ25898 равен 89.3%. Просуммировав приведенные на Рисунке 8 результаты расчетов для схемы на основе BQ25910, получим, что общая мощность потерь в трехуровневом преобразователе при выходной мощности 3 А × 3.8 В = 11.4 Вт равна PLOSS = 0.85 Вт. Таким образом, расчетный КПД зарядного устройства на основе BQ25910 должен быть равен 93.1%, что очень близко к измеренному значению 93.2%.

Результаты измерений КПД (а) и мощности потерь (б) в зарядных устройствах на основе микросхем BQ25910 и BQ25898.
Рисунок 9. Результаты измерений КПД (а) и мощности потерь (б)
в зарядных устройствах на основе микросхем BQ25910
и BQ25898.

При входном напряжении 9 В, выходном – 3.8 В и токе заряда 3 А КПД схемы на основе BQ25910 будет на 3.9% больше, а уровень потерь – на 36% меньше, чем при использовании традиционных технологий. Другими словами, при том же уровне нагрева (1.5 Вт) двухуровневый преобразователь на основе BQ25898 сможет заряжать аккумулятор током 3.2 А, в то время как трехуровневая схема на основе BQ25910 сможет обеспечить ток заряда на 31% больше (4.2 А). При этом не следует забывать, что трехуровневый преобразователь занимает на 36% меньше места на печатной плате.

Заключение

Ни один пользователь современной энергоемкой техники не желает, чтобы она долго заряжалось. Но чтобы зарядное устройство было компактным и при этом могло от 9-вольтового адаптера обеспечить зарядный ток более 3 А, необходимо, чтобы его КПД был больше 90%, а таких характеристик очень сложно достичь при использовании традиционных двухуровневых преобразователей. Поэтому переход на трехуровневый принцип понижения напряжения позволит преодолеть сразу целый комплекс технических проблем и создать одновременно и компактное, и мощное зарядное устройство с оптимальным выходным током, что, в конечном итоге, положительно отразится и на сроке службы аккумулятора и, за счет меньшего разогрева элементов, на уровне безопасности эксплуатации данных устройств.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments BQ25910
  2. Datasheet Texas Instruments BQ25898

Texas Instruments

Перевод: Александр Русу по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Maximize power density with three-level buck-switching chargers. Part 2

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

5 предложений от 5 поставщиков
ИС Управления питанием от батарей, DSBGA-36, 3.5 V to 4.775 V, 6 A, Серия BQ25910
Элитан
Россия
BQ25910YFF
Texas Instruments
211 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
BQ25910YFFR
13 970 ₽
Элрус
Россия
BQ25910YFFT
Texas Instruments
по запросу
Зенер
Россия и страны ТС
BQ25910EVM-854
Texas Instruments
по запросу
ADAR3000/3001 16-канальный формирователь диаграммы направленности для К/Ка диапазона частот от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя