Динамичката дистрибуција на електрична енергија во кола за полнење е олеснета

Понуда од

Тековни написи од „Основи на аналогната технологија“

Тековни написи од „Совети за аналогни кола“

Тековни написи од „Апликации“

Тековни написи од „Аналогна моќ“

Тековни написи од „Симулатори на кола“

Тековни написи од „Аналогни компоненти“

Основи Динамичката дистрибуција на електрична енергија во кола за полнење е олеснета

Оптималната дистрибуција на енергија во преносни уреди управувани од батерии претставува вистински предизвик за развивачите на системот. 'Llе ви покажеме како оваа задача може лесно да се постигне со помош на високо интегрирана единица за контрола на напојувањето.

Во преносни уреди, внатрешен IC за полнење нормално го контролира полнењето на батеријата. Со литиум-јонска батерија, прво се испорачува постојана струја, а потоа и постојан напон. Денес овие ИЦ обично користат оптимизирани рутини за полнење и со тоа спроведуваат динамична дистрибуција на електрична енергија.

Во минатото, дистрибуцијата на енергија во уредите управувани од батерии се спроведуваше на различни начини. Со најефикасна структура, го добивате најдоброто корисничко искуство со максимална заштита на батеријата.

Оваа статија опишува како работи оптимална дистрибуција на електрична енергија и покажува како процесот може да се спроведе во високо интегрирана единица за контрола на моќноста (PMU, единица за управување со енергија). Со него можете да го решите напојувањето и полнењето на батеријата во уреди како што се читачи на е-книги, таблети и медиа плеери на заштеда на простор.

Основни барања за коло за полнење

Полнењето на батеријата на полнење е првично едноставно: кога предметниот уред е поврзан на USB-порт или единица за напојување, започнува процесот на полнење. Кога е вклучен во струја, уредот обично се буди, потоа црпи енергија од надворешниот извор и на тој начин ги храни системот и внатрешното коло за полнење.

Енергијата за напојување на системот не се зема од батеријата што се полни, туку директно од изворот на енергија. Ова го одржува нискиот број на циклуси на полнење, бидејќи секој процес на полнење и празнење го троши животот на батеријата. Со бројот на циклуси на полнење и празнење, секоја литиум-јонска батерија станува сè послаба и послаба и на крајот пропаѓа. Ако избегнете непотребна потрошувачка на енергија од батеријата со напојување на системот без вклучување на батеријата кога е достапен надворешен извор на енергија, ова го продолжува траењето на батеријата.

Уредот се снабдува со енергија независно од батеријата

Друга предност на оваа дистрибуција на енергија е што уредот се напојува независно од батеријата. Уредот започнува веднаш, дури и со празна батерија, без корисникот да мора да чека додека батеријата не го засили напонот.

Во наједноставниот случај, диода ја одделува батеријата од системското напојување, друга диода го снабдува системот околу батеријата (слика 1). Двете диоди заедно формираат логичен ИЛИ. Ова значи дека системот започнува веднаш кога е поврзан со надворешно напојување, додека батеријата се полни и може да создаде напон. Сепак, ова едноставно коло има разни недостатоци. Најголемиот недостаток е падот на напонот преку диодите Шотки, а посебен недостаток е губењето на напојувањето преку D2, што се случува со работата на батеријата. Во овој случај, D2 ќе ја изгуби енергијата на батеријата.

Напојување за уредот и за полнење на батеријата

Втор, помалку очигледен недостаток е тоа што колото за полнење ја полни батеријата без да се земе предвид дека самиот уред сака да се напојува. Ако колото е поврзано со нормална USB порта што може да испорача само 500 mA струја, колото за полнење може да ја искористи целата струја за себе и да не остави ништо на системот. Уште полошо, колото за полнење може да сака да извлече повеќе од 500 mA струја од USB-портата и со тоа да ја наруши спецификацијата за USB.

MOSFET ги заменува двете диоди

Заменувањето на диодите на слика 1 со MOSFET (М1 на слика 2) е чекор во вистинската насока. Во овој случај, MOSFET обезбедува врска со низок отпор помеѓу батеријата и поврзаниот уред, што овозможува и полнење на батеријата и уредот да се вклучи веднаш кога ќе се отстрани изворот на напон.

Ако на системот му треба повеќе енергија отколку што може да снабдува изворот на енергија, батеријата може да ја обезбеди разликата преку PowerPath FET. Сега, кога D1 повеќе не е достапен, IC-то за полнење може да обезбеди внатрешно ограничување на струјата и на тој начин да спречи преоптоварување на USB-портата.

Втор проблем останува нерешен: тековното ограничување спречува преоптоварување на USB-портата, но не ја дистрибуира струјата помеѓу системот и полначот на батеријата. Корисникот нормално ќе ги сака целосните перформанси на системот и ќе прифати продолжено време на полнење наместо да прифати дека системот не добива доволно енергија за полнење на батеријата што е можно побрзо.

За решавање на овој проблем, потребна е динамична дистрибуција на енергија што ја контролира струјата на полнење на таков начин што ќе бидат земени предвид перформансите на изворот и барањата за напојување на поврзаниот систем. Целта е да се постигнат целосни перформанси на системот со надворешно напојување со минимално користење на батеријата за ова време.

Екстерен и внатрешен MOSFET во патеката на батеријата

Колото на слика 3 работи и со надворешен и со внатрешен MOSFET во патеката на батеријата. Оваа структура нуди динамична дистрибуција на електрична енергија.

Надворешниот MOSFET е опционален: Апликациите со големи побарувања за напојување (каде што треба да се потроши многу топлина) имаат корист од надворешен елемент за вклучување. Кога колото за полнење е исклучено, батеријата го снабдува поврзаниот уред целосно сама по себе.

Пред-регулатор ги снабдува колото за полнење и системот

Слика 4 покажува како колото и системот за полнење се снабдуваат преку предрегулатор кога се поврзани со надворешен извор на енергија. Може да се конфигурираат и неговиот излезен напон и неговата максимална струја.

Ако побарувачката за напојување на системот се зголеми, струјата за полнење паѓа автоматски, така што максималната струја поставена во пред-регулаторот не се надминува, со што се постигнува динамична дистрибуција на моќност.

Кога батеријата е целосно наполнета, системот се испорачува целосно преку примарниот регулатор

Кога батеријата е целосно наполнета, прекинувачот за батерија се отвара на слика 5. Системот сега се испорачува целосно преку примарниот регулатор, така што од батеријата не се вади струја, што го продолжува нејзиниот век на траење. Ако моменталното барање на системот (црвено) ја надминува поставената максимална струја на надворешниот извор, батеријата може да напојува и струја (жолта) преку PowerPath FETs („прекинувач на батеријата + идеална диода“ на слика 5). Ако е достигната програмираната максимална струја, VSUP_CHG паѓа минимално под напонот на батеријата, така што струјата може да тече од батеријата во системот. Максималната струја на надворешниот извор на енергија не е надмината, така што изворот на енергија не е преоптоварен.

Интеграција на контролата на динамичка струја во PMU

Во преносливата електроника за широка потрошувачка, како што се таблетите, просторот е апсолутно недостиг. Затоа, напојувањето за такви уреди обично се гради со ИЦ за управување со електрична енергија (PMIC), кој ги комбинира потребните конвертори на еднонасочен напон во еден ИЦ.

За да се поедностави дизајнот на напојувањето и да се заштеди простор, би било пожелно колото за полнење да биде интегрирано во овој PMIC. Но, каде е контролата на динамичката струја како што е опишано погоре?

Динамичка контрола на струјата со PMIC

На слика 7 е прикажано оптималното поставување за спроведување на контролата на динамичка струја со AS3711, PMIC од ams за преносни уреди како што се медиа плеери и таблети. AS3711 располага со два конвертори 1 A buck, конвертер 1,5 A buck, конвертер 3 A buck, осум LDO, два конвертори за зајакнување и контролер за полнење 1,5 A - сите во пакет 7 mm x 7 мм.

Регулатор на полнење базиран на регулатор за вклучување поефикасно ја полни батеријата од колото за линеарно полнење што обично се користи. Затоа му треба помалку енергија, така што останува повеќе од струјата за напојување за поврзаниот систем (кој се снабдува од VSUP). Поголемата ефикасност на регулаторот за вклучување исто така ја намалува загубата на топлинска моќност при полнење на батеријата. AS3711 исто така нуди заштита од пренапон до 30 V и предрегулатор со ограничување на струјата што може да се програмира до 16 различни вредности на струјата помеѓу 0,1 и 2,5 А. Може да се конфигурира и напонот на шината VSUP_CHG.

PMIC со интегрирано коло за полнење заштедува простор и трошоци

Користењето PMIC со интегрирано коло за полнење заштедува простор и трошоци за посебен IC за полнење. Понатаму, сите напони и целосниот процес на полнење може да се постават и следат со само еден сет на регистри. Колото за полнење на PMIC и другите блокови на функции може да се конфигурира исклучително лесно преку графичкиот кориснички интерфејс на AS3711 (види слика 8). Можете да ги програмирате сите функционални блокови од Слика 7 преку овој GUI, при што може да се конфигурираат полнење со проток, полнење со постојана струја, постојано полнење на напон, време, тајм-аут, следење на температурата, ограничување на струјата и откривање на надворешен пренапон. Постои и избор помеѓу линеарно и вклучено полнење на батеријата.

Основни предности на користење PMIC

Овој напис покажа дека динамичката контрола на напојувањето ја зачувува енергијата на батеријата и обезбедува оптимални перформанси на системот кога уредот е поврзан на надворешно напојување.

Сè уште можете да ја користите батеријата како дополнителен извор на енергија ако на системот му треба повеќе енергија отколку што може да обезбеди надворешниот извор. Ова значи дека единицата за напојување може да се направи помала, што заштедува трошоци. Едноставно, треба да може да го покрие полнењето на батеријата, но не и врвната побарувачка на системот во исто време.

Корисниците на најновите PMIC за преносни уреди ги имаат сите овие предности доколку ја спроведат структурата како што е прикажано погоре користејќи го примерот на AS3711. Овој IC нуди ефикасно средство за динамично прилагодување на струјата на полнење на тековните барања на системот.

Имплементацијата на динамичка контрола на струјата преку PMIC ги има и следниве предности:

Заштеда на простор затоа што е заштеден надворешен IC за полнење,
лесна контрола на сите напони преку софтвер, вклучително и напон на полнење,
Поедноставена контрола на струјата преку PMIC, кој ги следи влезниот напон, напонот на батеријата, напонот на системот и сите други напони и генерира и автоматски се справува со интелигентни прекини на системот.