Ефективні перетворювачі напруги у системах з батарейним живленням

У статті обґрунтовано необхідність використання перетворювчів напруги у пристроях з живлен­ням від батареї.

Ф. Достал

Питання:

Чи потрібна система управління живленням для пристроїв на акумуляторних батареях?

Відповідь:

Так, більшість систем з батарейним живленням потребують заряджання акумулятора. У цій статті розглядається, як управління живленням оптимізу- ється в пристроях та системах із батарейним жив­ленням. Наведено приклади схемної реалізації, що включають необхідні для управління живленням функції. Також обговорюються проблеми ефектив­ності перетворення потужності в таких схемах.

Багато сучасних приладів та систем потребують живлення від акумуляторних батарей. Батареї вико­ристовуються для резервування електроживлення у разі відключення електроенергії в мережі, але в ос­новному застосовуються в портативному устатку­ванні як автономне живлення. У всіх системах із ба­тарейним живленням ключовим показником є енер- гоефективність. Чим менш ефективне джерело жив­лення, тим більше і дорожче батарея при тому ж часі автономної роботи. Крім того, акумуляторні батареї можуть виробляти різну напругу, залежно від стану заряду. Це вимагає використання перетворювача потужності для регулювання та стабілізації змінної напруги акумуляторних батарей.

Сьогодні в більшості систем з батарейним жив­ленням використовуються акумуляторні батареї, що перезаряджаються. Для цього в прилад чи систему, як правило, вбудовується окремий зарядний при­стрій. На рис.1 показано структурну схему системи з батарейним живленням. Хоча реалізація залежить від конкретного використання такої схеми, основні її функціональні вузли застосовуються у всіх системах з батарейним живленням. Слід додати, що на рис. 1 використане також друге джерело живлення для пе­ремикання потужності, що надходить від джерела живлення 1, якщо джерелом живлення 2 є, наприк­лад, USB-порт з напругою 5 В. Потім напруга пере­творюється для безпечної зарядки батареї системи чи пристрою.

Рис.1. Спрощена структурна схема системи із батарейним живленням

Процес заряджання акумулятора зазвичай може бути не дуже енергоефективним. У більшості систем з батарейним живленням передбачений окремий вузол для заряджання батареї. Наприклад, коли мо­більний телефон підключено до зарядного при­строю, ефективність процесу заряджання зазвичай не є важливою для більшості користувачів. Однак більш висока енергоефективність під час зарядки безпосередньо призводить до зменшення розмірів батареї, що знижує вартість системи та зменшує її розміри у цілому. Більш висока ефективність пере­творення потужності під час цього процесу безпосе­редньо призводить до меншої ємності акумулятора при тому ж часі роботи системи.

Ефективність на цьому етапі перетворення по­тужності від батареї для генерації напруги, необхід­ної для навантаження, потребує подальшої оцінки. Ефективність перетворення при повному наванта­женні системи дає інформацію про те, як довго си­стема може працювати при номінальному наванта­женні. Також важлива ефективність перетворення при невисокому або легкому навантаженні. Наприк­лад, детектор диму з батарейним живленням на етапі моніторингу працює з низьким струмом наван­таження деколи протягом багатьох років аж до мо­менту, коли дим буде виявлено та пролунає сигнал тривоги. Сигнал тривоги включається при високому струмі, але ефективність енергоспоживання в цей короткий інтервал не така важлива, якщо акумуля­тор має достатній заряд.

Для низького навантаження має значення струм спокою IQ. Чим він нижчий, тим краще. Цей струм спокою разом із вузлом комутації перетворювача потужності визначає к.к.д. навантаження. На рис. 2 показані графіки ефективності у режимі малого і ти­пового навантаження. Режим ефективності при ма­лому навантаженні практично з нульовою частотою комутації перетворювача – це синя крива, а режим типового навантаження з фіксованою частотою ко­мутації перетворювача потужності – чорна пунктир­на крива. Слід додати, що багато схем перетворен­ня потужності мають режим з підвищеною ефектив­ністю для легкого навантаження.

Зазвичай це працює так: постійна частота кому­тації встановлюється рівною нулю, а кілька комута­ційних імпульсів генерується лише тоді, коли вихід­на напруга дещо падає. Між цими сплесками у пере­творювача потужності відключається більшість функцій для економії споживання енергії. Режими роботи з низьким енергоспоживанням можуть трохи відрізнятися залежно від типу ІМС перетворювача, але результатом такого режиму при низькому спо­живанні є підвищення к.к.д., як показано на рис. 2.

Рис. 2. Ефективність перетворення потужності знижувального стабілізатора з увімкненим режимом енергозбереження при низькому навантаженні (частота комутації дорівнює нулю), синя крива; та при звичайному навантаженні з фіксованою частотою комутації, яка дорівнює 600 кГц, чорна пунктирна крива

З рис. 2 випливає, що різниця в ефективності для двох режимів при вихідному струмі навантаження 1 мА досить велика і досягає 50%. При фіксованій ча­стоті комутації 600 кГц без режиму енергозбережен­ня ефективність приблизно складає 15%.

Для системи з батарейним живленням може бути обрано багато схемотехнічних рішень. Однак найбільш часто використовується схема перетво­рювача з чотирма ключами, що дає можливість під- вищувати/знижувати вихідну напругу джерела жив­лення. У багатьох системах використовується на­пруга живлення 3,3 В і вони живляться від одного іон-літієвого акумулятора. Такі акумулятори забез­печують номінальну напругу 3.6 В, але у процесі ро­боти, коли вони знаходяться у дещо розрядженому стані, вони можуть мати напругу від 2.8 до 3.0 В. Для максимально тривалого часу роботи системи не­обхідно використовувати якомога більше енергії від акумулятора, тому у системах з напругою живлення 3.3 В слід зменшити напругу акумулятора з 3.6 до 3.3 В, коли іон-літієвий акумулятор повністю заряд­жений. Однак, коли напруга акумулятору знижу­ється до 2.8 В, її необхідно підвищити до 3.3 В. Ця вимога забезпечується схемою перетворювача, що підвищує/знижує вихідну напругу акумулятора. Іс­нує безліч різних типів схем таких перетворювачів, які підвищують/знижують вхідну напругу. Ось лише деякі з них: зворотноходовий перетворювач на ос­нові трансформатора, двохіндукторні однотактні перетворювачі з первинною індуктивністю, знижуваль- но/підвищувальний перетворювач із чотирма пере­микачами.

Як правило, вибирається знижувально/підвищу- вальна схема перетворювача з чотирма переми­качами, оскільки вона забезпечує найвищу ефек­тивність перетворення потужності проти двох інших рішень. На рис. 3 показана така спрощена схема з чотирма перемикачами.

Рис. 3. Спрощена схеми знижувально/ підвищувального перетворювача потужності з чотирма ключами

Слід відзначити, що можна взагалі уникнути ви­користання схеми, що знижує/підвищує напругу, ви­користовуючи дві послідовно включені іон/літієві акумуляторні батареї замість однієї. Тоді потрібен лише простий знижувальний перетворювач. Однак це вимагає додаткових витрат на другий акумуля­тор. Крім того, заряджання двох акумуляторних еле­ментів складніше, ніж заряджання одного. Коли два елементи використовуються послідовно, макси­мальна напруга двох послідовно з’єднаних елемен­тів становить 7.2 В. Для цього потрібний перетворю­вач з більш високою напругою, що може призвести до дещо вищої його вартості.

Вибір зарядного пристрою

На ринку існує безліч ІМС зарядних пристроїв. Зарядний пристрій для акумуляторів – це пристрій, який виробляє напругу та струм таким чином, щоб безпечно заряджати акумулятори. При виборі ІМС перше рішення, яке необхідно прийняти, — викори­стовувати лінійний зарядний пристрій або зарядний імпульсний пристрій.

Лінійні зарядні пристрої можуть лише знизити наявну напругу. Їх вхідний струм приблизно дорів­нює вихідному. Наприклад, якщо розряджена бата­рея має напругу 0.8 В, а необхідна напруга системи становить 3.3 В, то лінійний зарядний пристрій по­винен знизити напругу на вході до 2,5 В на виході. Якщо зарядний струм становить 1 А, то лінійним за­рядним пристроєм розсіюється потужність 2.5 Вт. Це не так вже і багато. Але якщо напруга системи становить 12 В, то потужність, що розсіюється, становить вже 11.2 Вт. Тому лінійні зарядні пристрої до­цільно застосовувати для систем із низькими заряд­ними струмами та напругою, близькою до напруги батареї.

Для більшості застосувань рекомендується ви­користовувати імпульсні зарядні пристрої. Більшість ІМС зарядних пристроїв на ринку є імпульсними. Це класичні пристрої імпульсного джерела живлення із спеціальними функціями, що дозволяють заряджати акумулятори. Вони можуть заряджати акумулятор постійною напругою або постійним струмом і мають спеціальні засоби, що роблять зарядку безпечною. Це може бути таймер, що визначає, чи справний підключений акумулятор, або зарядний пристрій може включати датчик температури для обмеження температури акумулятора під час зарядки, щоб уникнути його перегріву. Ще одна функція, яка стає все більш популярною, – це спеціальна перевірка безпеки з’єднання акумуляторних батарей з заряд­ним пристроєм, яка перевіряє, чи надійно підключе­на акумуляторна батарея.

На рис. 4 показана схема знижувального заряд­ного пристрою типу MAX77985 з перемикачем лан­цюга живлення. Перемикач необхідний більшості додатків. Він може від’єднати шину вхідної напруги від батареї, як тільки акумулятор буде повністю за­ряджений, щоб запобігти розсіюванню потужності батареї через будь-які інші компоненти схеми, які можуть бути підключені до живлення. Крім того, схе­ма має цифровий інтерфейс I2C для дистанційної зміни певних налаштувань зарядного пристрою. Щоб зробити зарядний пристрій максимально гнуч­ким, цифрові інтерфейси дозволяють настроювати його на акумулятори різних типів та розмірів.

Рис. 4. Спрощена схема знижувального зарядного пристрою

Вбудовані перемикачі живлення в ІМС MAX77985 можна використовувати не тільки в знижувальному режимі для заряджання акумулятора, але і для під­вищення напруги акумулятора до більш високої на­пруги системи. Таким чином, ця ІМС поєднує в собі функції перетворювача напруги живлення та заряд­ного пристрою.

Насамкінець, як висновок, слід відмітити, що си­стеми чи прилади з батарейним живленням вико­нують безліч різноманітних функцій. У багатьох з них використовуються ІМС для управління режима­ми живленням. Це має кілька причин. По-перше, багато систем або приладів з батарейним живлен­ням досить малі і тому вимагають компактного си­стемного рішення навіть на рівні ІМС. По-друге, кож­ний вузол у такому обладнанні має певний струм спокою. Зрештою, це пришвидшує розряд акумуля­тора. Об’єднання функцій управління живленням в одній ІМС у більшості випадків знижує струм спокою портативного обладнання у цілому. Крім того, слід враховувати, що поява на ринку іон-літієвих акуму­ляторів великої ємності суттєво змінила управління живленням портативних систем. При цьому процес створення майбутніх акумуляторів з метою збіль­шення їх ємності та швидкості зарядки при збере­женні безпеки експлуатації зараз тільки пришвид­шується, тому і кінця інноваціям в області ІМС для управління живленням і заряджанням акумуляторів, практично не видно, а результати і терміни зі ство­рення нових ще більш ефективних акумуляторів вза­галі важко передбачити.