Микросхемы зарядки литиево-ионных аккумуляторов

В статье рассмотрены выпускае­мые ведущими производителями микросхемы контроллеров зарядки литиево-ионных аккумуляторов, соз­данных на базе линейных и импульс­ных стабилизаторов напряжения.

В. Охрименко

ВВЕДЕНИЕ

Состязание разработчиков и производите­лей портативных гаджетов (gadgets) по “внед­рению” во вновь создаваемые (и при этом все меньшего размера) устройства аппаратных мо­дулей с расширенными функциональными возможностями вряд ли можно остановить. Большие яркие дисплеи с сенсорными панеля­ми, Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, GSM, GPS, ви­деокамеры с большим форматом матрицы виеосенсора, аудио- и видеоплейеры – лишь не­полный перечень встроенных модулей и воз­можностей, предоставляемых современными мобильными устройствами. И, по сути, на пути миниатюризации гаджетов всегда возни­кают две неразрывно связанные проблемы: от­вод рассеиваемой мощности и малые габарит­ные размеры, в которые необходимо все это “упаковать”. Мобильное устройство должно не только привлекать потребителей своими ин­теллектуальными возможностями, но и не вы­зывать при этом ожогов у пользователя в прямом смысле этого слова. Минимизации рассеи­ваемой мощности и соответственно уровня вы- деляемоего тепла отдается приоритет при раз­работке. Одним из источников тепла является контроллер зарядного устройства встроенного в мобильный прибор аккумулятора.

ПРОБЛЕМЫ

Одним из обязательных элементов совре­менных портативных устройств, мало в чем из­менившихся за последние годы, является ли­тиево-ионный аккумулятор, отличающийся наилучшими показателями среди ряда других химических источников электроэнергии, пред­назначенных для применения в портативных приложениях. Бесспорно, выросла его емкость, существенно улучшены и другие характеристи­ки, что, собственно, и позволило расширить функциональные возможности гаджетов, одна­ко базовый принцип его работы и алгоритм за­рядки мало в чем изменились [1-7].

В среднем для полной зарядки литиево­ионного аккумулятора емкостью 1 А-ч при токе зарядки 1 А требуется один час. Часто ис­пользуемые сегодня USB-адаптеры не могут обеспечить ток более 500 мА. Поэтому время зарядки может растянуться до 2, 3, 4 или более часов. Одна из проблем, возникающих при за­рядке большим током, – выделение тепла. По­скольку выходное напряжение широко ис­пользуемых в настоящее время сетевых и USB- адаптеров 5 В, а рабочее напряжение аккуму­лятора 3.7-4.2 В, то среднее значение КПД контроллера зарядки, построенного на бале линейного стабилизатора напряжения, не мо­жет быть лучше, чем 74% (3.7/5.0), а макси­мальное – 84% (4.2/5.0). На рис. 1 [1] приведена зона возможных потерь мощности в конт­роллере в процессе зарядки аккумулятора.

Рис. 1. Распределение мощности потерь в процессе зарядки аккумулятора

Та­ким образом, при зарядке аккумулятора током 1 А максимальные потери составят примерно 1.3 Вт. Необходимо отметить, что выделение этого тепла не связано с накоплением энергии в аккумуляторе для последующего ее исполь­зования, а вызвано нагревом кристалла ИС контроллера зарядки. Для того, чтобы умень­шить нежелательный нагрев кристалла в про­цессе зарядки аккумулятора, необходимо по­вышать КПД контроллера, что достигается при использовании контроллеров с импульс­ным регулированием. Кроме того, их примене­ние позволяет потенциально уменьшить про­должительность зарядки. В контроллерах за­рядки, созданных на базе линейных стабили­заторов с разделением путей протекания токов нагрузи и зарядки (PowerPath Technology), в случае небольшого тока нагрузки напряжение V_OUT равно почти 5 В (V_IN), а напряжение на ак­кумуляторе V_BAT = 3.7 В. При этом линейный стабилизатор используется неэффективно и мощность рассеивается на контроллере заряд­ки. При большом токе нагрузки к ней допол­нительно подключается аккумулятор и при V_IN = 5 В напряжение V_OUT = V_BAT = 3.7 В (рис. 2). В этом случае неэффективно исполь­зуется проходной транзистор контроллера за­рядки. И в первом, и во втором случаях сохра­няется величина падения напряжения на эле­ментах регулирования V_IN – V_OUT = 1.3 В или V_OUT – V_BAT = 1.3 В, что и приводит к нежела­тельной потере мощности. Особенность приве­денной на рис. 2 структурной схемы в том, что для подключения аккумулятора к нагрузке используется устройство, выполняющее функ­ции “идеального” диода.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема устройства зарядки с разделением путей протекания токов нагрузки и зарядки

ВАРИАНТЫ РЕШЕНИЯ

Что же подразумевается под предложен­ным специалистами компании Linear Techno­logy термином “идеальный” диод [3, 7]. Как известно, широко применяемые диоды Шот­тки отличаются от других полупроводниковых диодов малым прямым падением напряжения и высокой скоростью переключения. При ис­пользовании этого диода в качестве полупро­водникового ключа, например, в схемах авто­матического подключения к нагрузке аккуму­лятора или сетевого адаптера, как правило, применяется простая схема монтажного ИЛИ, основной недостаток которой – сравнительно большое падение напряжения на диоде. При повышении тока нагрузки растут и потери мощности на нем. Решить эту проблему можно с использованием в качестве диода МОП-тран­зистора. Идея не нова, однако специалисты компании Linear Technology при замене диода на МОП-транзистор предложили также способ определения момента переключения “идеаль­ного” диода в закрытое или открытое состоя­ние. Для этого проводится мониторинг паде­ния напряжения между истоком (анодом) и стоком (катодом) транзистора. В рассматри­ваемом случае – это МОП-транзистор с кана­лом N-типа. В момент подключения входного напряжения, конечно, если входное напряже­ние больше выходного, ток через защитный диод транзистора течет в нагрузку. Транзистор открывается и падение напряжения на нем равно I LOAD • RDS , где RDS — сопротивление пере­хода сток-исток. Как правило, это напряжение примерно в десять раз ниже, чем падение на­пряжения на диоде Шоттки. Если напряжение на аноде ниже, чем на катоде, транзистор за­крывается. Для мониторинга падения напря­жения на транзисторе используется специ­альный усилитель. Проблема заключается в том, как выбрать значение напряжения порога переключения и величину гистерезиса компа­ратора. Например, если открывать транзистор при падении напряжения 25 мВ, а закрывать – при 5 мВ, это может привести к тому, что при малых токах нагрузки ключ просто закроется. Установка порога на уровне минус 5 мВ приведет к тому, что ток потечет от нагрузки ко вхо­ду. Чтобы исключить эти проблемы, падение напряжения между стоком и истоком откры­того транзистора поддерживается с помощью специального следящего усилителя на уровне 25 мВ. При росте тока нагрузки повышается также управляющее напряжение на затворе транзистора и соответственно снижается со­противление открытого канала. Таким спосо­бом падение напряжения на транзисторе под­держивается почти постоянным на уровне 25 мВ. На определенном этапе при увеличении тока падение напряжения на транзисторе на­чинает расти пропорционально току (ILOAD^RDSON). На Рис. 3 приведены вольтампер- ные характеристики диода Шоттки (B530C) и “идеального” диода [3, 7]. Предложенный ме­тод управления МОП-транзистором позволяет реализовать плавное переключение транзисто­ра и даже при небольших токах нагрузки по­лучить минимальную разницу напряжения между стоком и истоком.

Рис. 3. Вольтамперные характеристики “идеального” диода и диода Шоттки

В микросхеме LTC4358 (Linear Technology) материализована идея создания “идеального” диода на базе встроенного на кристалл МОП- транзистора с каналом N-типа, имеющим сопро­тивление R_DSON = 0.02 Ом. Напряжение пита­ния ИС 9.0-26.5 В, максимальный ток 5 А, вре­мя отключения транзистора при превышении тока ограничения 0.5 мкс. Микросхема LTC4358 предназначена для замены диодов в схемах переключения источников питания, к которым подключается нагрузка, построен­ных на основе схемы монтажного ИЛИ. Графи­ки зависимости мощности, рассеиваемой на “идеальном” диоде (LTC4358) и на диоде Шоттки типа B530C, приведены на рис. 4.

Рис. 4. Графики зависимости мощности, рассеиваемой на ИС LTC4358 и диоде B530C, от протекающего через них тока (а) и схема их включения (б)

Микросхема LTC4358 изготавливается в кор­пусе 14-DFN и имеет размеры 4×3 мм.

Кроме того, компания Linear Technology предлагает и другие ИС, например, LTC4352/ 55/57, LTC4411/13/16. Микросхемы LTC4352/ 55/57 и LTC4416, по сути, являются контрол­лерами “идеального” диода и для этой цели ис­пользуется внешний МОП-транзистор, в мик­росхемах LTC4411/13 — встроенный. Миниа­тюрная ИС LTC4411 предназначена для авто­матического переключения нагрузки между сетевым адаптером и аккумулятором в схемах, построенных на основе монтажного ИЛИ. На­пряжение входного источника 2.6-5.5 В, ток потребления в статическом режиме не более 40 мкА при токе нагрузки до 100 мА. Макси­мальное сопротивление открытого канала встроенного МОП-транзистора с каналом P-ти­па составляет 0.14 Ом, максимальный прямой ток 2.6 А, ток утечки менее 1 мкА. В микро­схеме предусмотрена защита от перегрева кор­пуса. Для подключения ИС LTC4411 не тре­буются дополнительные внешние компонен­ты. Микросхема LTC4411 изготавливается в корпусе SOT23-5.

Микросхемы LTC4088/LTC4098 – контрол­леры зарядки литиево-ионных аккумуляторов, обеспечивающие благодаря применению в них импульсного стабилизатора напряжения не только высокий КПД, но и реализацию тех­нологии разделения путей протекания токов нагрузки и зарядки, получившей название Switching PowerPath. ИС LTC4088/98 содер­жат импульсный понижающий стабилизатор напряжения и линейный стабилизатор тока зарядки аккумулятора. В конфигурации, при­веденной на рис. 5 [2], разница напряжений V_IN – V_OUT хотя и сохраняется почти прежней (см. рис. 2), однако потери мощности суще­ственно меньше, так как КПД стабилизатора достаточно высок (примерно 92% при выход­ном токе 300 мА). Напряжение V_OUT лишь на несколько сотен милливольт выше V_BAT. При­нятые в этих микросхемах меры обеспечивают незначительные потери мощности.

Рис. 5. Упрощенная структурная схема LTC4088

Микросхема LTC4088 – высокоэффектив­ный контроллер зарядки литиево-ионных ак­кумуляторов, обеспечивающий максималь­ный ток зарядки 1.5 А. В качестве внешнего источника питания можно использовать как сетевой адаптер, так и USB-порт. Напряже­ние питания LTC4088 – 4.25-5.50 В. Допус­каются выбросы входного напряжения ам­плитудой до 7 В. Ток ограничения – 100, 500 или 1000 мА. Частота преобразования пони­жающего напряжение импульсного стабили­затора 2.25 МГц. Подключение аккумулятора к нагрузке осуществляется с использованием встроенного аналога “идеального” диода с со­противлением в открытом состоянии 0.18 Ом. Также предусмотрена возможность подключения дополнительного внешнего МОП-тран­зистора с каналом P-типа параллельно встроенному “идеальному” диоду, что позво­ляет существенно снизить сопротивление комбинированного ключа (рис. 6) [2]. Кроме того, в микросхеме LTC4088 реализован авто­номный стабилизатор напряжения с выход­ным напряжением 3.3 В, обеспечивающий ток нагрузки до 25 мА.

Микросхема LTC4088 изготавливается в корпусе 14-DFN и имеет размеры 4×3 мм. Мак­симальная температура корпуса 125 °C, тепло­вое сопротивление 37 °С/Вт. ИС LTC4098 – в корпусе 20-DFN размерами 4×3 мм, ее тепло­вое сопротивление – 43 °С/Вт. Диапазон рабо­чих температур -40…85 °С.

Рис. 6. Графики зависимости сопротивлений “идеального” диода (LTC4088) и комбинированного ключа от напряжения на аккумуляторе

Рис. 7. Структурные схемы подключения аккумулятора до (а) и после (б) измерительного резистора

Микросхемы bq2410x (Texas Instruments) обеспечивают максимальный ток зарядки ак­кумулятора до 2 А. Частота преобразования понижающего импульсного стабилизатора на­пряжения 1.1 МГц. Микросхемы bq2410x со­держат встроенные ключи, выполненные на базе МОП-транзисторов и используемые для подключения к нагрузке сетевого адаптера или аккумулятора. Максимальный КПД 93%.

Микросхемы bq2410x изготавливаются в корпусе 20-QFN и имеют размеры 3.5х4.5 мм. Допустимая мощность рассеяния до темпера­туры кристалла 40 °C составляет 1.81 Вт (со снижением выше температуры 40 °C с коэффициентом 0.021 Вт/°С), тепловое сопро­тивление – 46.87 °С/Вт. Диапазон рабочих температур -40…85 °C.

Как и при применении ИС, созданных на базе линейных стабилизаторов (к примеру, MAX1811, LTC4065/69/95, MCP73831/2, MCP73811, bq2402x/3x/6x, bq2057, bq24085), так и в случае использования импульсных пре­образователей возможны два варианта под­ключения нагрузки и аккумулятора: непо­средственное подключение (в одну точку) и с возможностью выбора путей протекания токов зарядного и нагрузки.

Можно выделить два варианта непосред­ственного подключения нагрузки к аккумуля­тору. В первом нагрузка подключается после измерительного резистора R_SNS (рис. 7, а), во втором – до него (рис. 7, б).

В первом варианте входное напряжение V_IN преобразуется в напряжение V_OUT с высоким КПД. При подключенном сетевом адаптере обеспечивается энергопитание нагрузки и од­новременно зарядка аккумулятора, в случае отключения адаптера питание нагрузки осу­ществляется от аккумулятора.

Преимущества первого варианта тополо­гии:

• при отключенном адаптере энергопитание нагрузки осуществляется непосредственно от аккумулятора с минимальными потеря­ми мощности
• возможно использование технологии дина­мического управления током зарядки ак­кумулятора (DynamicPowerManagement – DPM), что позволяет за счет динамическо­го снижения тока зарядки предотвратить потенциальную вероятность перегрузки ИС по току зарядки и перегрева ее корпуса при пиковых нагрузках, а, кроме того, со­храняется возможность ограничения сум­марного входного тока
• малы изменения напряжения на нагрузке
• достаточно просто на программном уровне реализуется режим “токового мягкого старта”.

При выборе топологии подключения акку­мулятора к нагрузке следует принимать во внимание следующие особенности.

Если средний ток нагрузки достаточно ве­лик на протяжении длительного времени, то процесс зарядки затягивается и возникает си­туация, при которой аккумулятор непрерывно находится в процессе зарядки, что сокращает срок его службы.

Поскольку предел ограничения суммарного тока фиксирован на аппаратном уровне, то при достаточно большом токе через нагрузку ток зарядки аккумулятора также снижается, что приводит к неприемлемому увеличению про­должительности зарядки аккумулятора до его полной емкости и делает вполне вероятной си­туацию, при которой его просто невозможно полностью зарядить.

Если при заряженном аккумуляторе ток на­грузки увеличился, то вследствие падения на­пряжения на внутреннем сопротивлении акку­мулятора выходное напряжение может сни­зиться до порога, при котором будет иниции­роваться очередной цикл зарядки, который, в свою очередь, быстро завершится. Таким обра­зом, возможно возникновение ситуации, при которой процесс зарядки будет стартовать циклически. При небольшом токе нагрузки интервал времени до момента уменьшения вы­ходного напряжения (за счет падения напря­жения на аккумуляторе) до необходимого по­рога для старта очередного процесса зарядки существенно увеличивается.

В фазе предварительной зарядки при на­пряжении на аккумуляторе ниже 3 В ток за­рядки составляет примерно 10% номинальной емкости аккумулятора, чего зачастую слиш­ком мало для энергоснабжения продолжающе­го работать устройства, которое в этом случае вынуждено “подпитываться” и от аккумулято­ра, а последний соответственно продолжает разряжаться. Кроме того, поскольку для пред­варительной фазы зарядки отводится вполне определенный задаваемый специальным тай­мером интервал времени, в течение которого напряжение на аккумуляторе должно достичь порога 3.2 В, создается ситуация, при которой напряжение на аккумуляторе фактически не возрастает, а таймер начинает сигнализиро­вать, что аккумулятор неисправен.

Не следует забывать, что основной недоста­ток непосредственного подключения аккуму­лятора к нагрузке заключается в том, что при полностью или глубоко разряженном аккуму­ляторе напряжение на нагрузке даже при условии подключения сетевого адаптера, рав­но напряжению на аккумуляторе, чего бывает явно недостаточно для работы устройства, и, конечно, во многих случаях это просто недо­пустимо.

Во втором варианте (см. рис. 7, б) нагрузка подключена до измерительного резистора (R_SNS). Эта топология, по сравнения с той, в ко­торой нагрузка подключена после резистора, имеет ряд преимуществ.

Самым основным является то, что в ней контролируется ток, протекающий только че­рез аккумулятор, и поэтому все три режима за­рядки (предварительный, режим собственно зарядки с током, равным величине емкости ак­кумулятора, и режим завершения) протекают без каких-либо проблем, связанных с протека­нием тока через нагрузку.

Глубоко разряженный аккумулятор можно без риска подключать к контроллеру зарядки, не опасаясь завершения работы таймера, опре­деляющего безопасную продолжительность предварительной фазы зарядки, еще до окон­чания этого этапа.

Следует также принимать во внимание, что суммарный ток через контроллер зарядки ограничен на уровне максимально допустимо­го тока через кристалл, а также работой систе­мы защиты от перегрева. Ток зарядки не уменьшается при росте тока нагрузки, поэто­му эта топология не используется при больших токах нагрузки.

Обеспечить даже в случае использования импульсных стабилизаторов напряжения со встроенными транзисторными ключами при больших токах нагрузки и зарядки низкую мощность потребления крайне сложно. Поэто­му при больших токах, как правило, мощные ключи не интегрируются на кристалле микро­схемы, а размещаются вне ее корпуса.

Примером таких ИС могут служить bq24702/3/5 и bq246xx (Texas Instruments), обеспечивающие ток зарядки до 10 А (bq24610/17). В отличие от bq2410x устрой­ства зарядки, созданные на базе ИС bq246xx, содержат внешние ключи. Частота преобразо­вания импульсного стабилизатора ИС bq24610/17 составляет 600 кГц. Кроме того, в контроллерах bq24610/17 реализована техно­логия динамического управления током за­рядки аккумулятора DPM, основанная на мо­ниторинге величины входного тока. Для неза­висимого измерения суммарного тока и тока зарядки аккумулятора в контроллере bq24610 реализовано соответственно два прецизион­ных усилителя. Для подключения нагрузки к адаптеру, а также аккумулятора к нагрузке используются ключи на мощных внешних МОП-транзисторах.

Микросхемы bq24610/17 изготавливаются в корпусе 24-QFN и имеют размеры 4×4 мм. Допу­стимая мощность, рассеиваемая при температу­ре 25 °C, составляет 2.3 Вт (со снижением выше температуры 25 °C со скоростью 0.023 Вт/°С), тепловое сопротивление – 43 °С/Вт [6].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Схема непосредственного подключения ак­кумулятора к нагрузке и контроллеру заряд­ки, созданному на основе линейного стабили­затора, отличается простотой, а устройства, выполненные на базе этой архитектуры, – бо­лее низкой стоимостью. Однако при больших токах нагрузки вряд ли можно рекомендовать использование этой топологии из-за большой вероятности перегрева кристалла микросхе­мы. При непосредственном подключении ак­кумулятора к нагрузке можно достичь мини­мального изменения уровня напряжения на нагрузке. Проблема потери мощности сохра­няется также и в контроллерах зарядки, соз­данных на основе непрерывного регулирова­ния с разделением путей протекания токов на­грузи и зарядки. Более высокого КПД можно достичь применением импульсного стабилиза­тора, что позволяет создавать на его базе конт­роллеры с током зарядки аккумулятора более 10 А. Кроме того, в этих контроллерах зача­стую используется также технология разделе­ния путей протекания токов нагрузки и заряд­ки, основным преимуществом которой являет­ся высокая надежность.