Интегрални схеми за следене и зареждане на акумулатори

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2012

Литиевите акумулатори се наложиха не само за захранване на портативните електронни устройства с неголяма постояннотокова консумация, но вече сериозно навлизат и в сферата на приложение на мощните акумулаторни батерии, например за автомобили и свързване към алтернативни източници на енергия. След първоначалното бързо развитие на интегралните схеми (ИС) за зареждането им, напоследък едновременно с тяхното усъвършенстване се появяват и множество нови видове с основно предназначение контрол на различни параметри на акумулаторите за максимално безопасното им използване и съответно удължаване на експлоатационния им срок. Вече съществуват и ИС, които могат да се използват за зареждане на различни видове акумулатори, както и такива за осигуряване и на други функции по захранването на устройствата. Статията е посветена на всички тези разновидности, като дадените примери са на ИС, представени на пазара след 1 януари 2010 г.

Зареждане на литиеви акумулатори
Съществуват много разновидности на литиевите акумулатори – литиево-йонни (Li-ion), литиево-полимерни (Li-poly), литиево-желязно-фосфатни (LiFePO4), литиево-кобалтови (LCО), литиево-манганови (LMO), литиево-танталови, ниобиево-литиеви и литево-ванадиеви, подробности за които могат да бъдат намерени в статията “Литиеви акумулатори”, публикувана в сп. Енерджи ревю, бр. 1/2011. Реално практическо приложение засега имат първите (Li-ion) и независимо от някои различия в химичния състав на електродите и електролита им, притежават обобщаващата зарядна характеристика на фиг. 1.

При силно разреден акумулатор зареждането започва с предварителен заряд със сравнително малък ток и при достигане на определено напрежение става превключване за зареждане с основния ток с типични стойности 0,5 С-1 С (С е капацитетът на акумулатора). Сега напрежението нараства практически по линеен закон и при достигане на 4 V (за една клетка) продължава бавно да нараства до достигане на максималното напрежение. С това завършва етапът на зареждане с неизменен ток, при който в акумулатора е натрупан около 85% от максимално възможния заряд С. Следва подаване от зарядното устройство на неизменно напрежение (максималното), при което зарядният ток започва да намалява и при достигане до няколко процента от основния, акумулаторът е напълно зареден и зареждането се прекратява. Този тип зареждане се означава като СС/СV от Constant Current/Constant Voltage. Ако акумулаторът не се изключи от зарядното устройство, той започва бавно да се саморазрежда и по тази причина в някои ИС е предвидена възможност за периодично дозареждане, което започва при намаляване на напрежението до определена стойност. Освен това практически всички ИС имат и допълнителен таймер, който прекратява зареждането след изтичане на определено време – то може да е преди достигане на споменатия ток или след това, ако по някакви причини зареждането не е спряло. Трябва да се има предвид, че не са рядкост устройствата за бърз заряд без режим на неизменно напрежение, т. е. зареждането се прекратява преди пълното зареждане на акумулатора, което означава и по-бързото му изтощаване.

Принцип на действие на ИС. В зависимост от него има два вида ИС. Първата са линейните (Linear Battery Charger) с опростена структура на фиг. 2а. Постоянното входно напрежение постъпва на вход VCH, като през ключа SWC от регулиращия блок REG и управляващия блок CNTR се осигурява на акумулатора неизменен заряден ток ICH или неизменно напрежение. Големината на ICH се задава чрез външния резистор RI, свързан към вход SETI, а нормалната работа на REG се осигурява от източника на опорно напрежение REF. На вход TIME на CNTR се свързва външен кондензатор С, когато трябва да се зададе времето на зареждане. За нормалната работа на акумулатора температурата му трябва да е в определени граници и затова е необходимо измерването й. То се прави чрез термистора Rt, поставен максимално близко или залепен на акумулатора, а твърде често вграден в него. В каталога на ИС се отбелязват необходимите параметри на термистора. На изход CHG се получава логическо ниво (0 или 1 в зависимост от ИС) за индикация на процеса на зареждане. Изход РОК е за индикация чрез логическо ниво на наличието на напрежението VCH. Изходът FLT “съобщава”, когато зареждането е прекратено от таймер в ИС преди акумулаторът да е напълно зареден. Последните три изхода не са задължителни за всички ИС. Дадената с прекъсната линия част от схемата е за ИС с възможност за осигуряване на постоянното входно напрежение от USB порта на друго устройство. В някои ИС има единствен вход VIN, като изборът какво напрежение ще се използва, се прави чрез логически сигнал на управляващ вход, означен например с AC/USB.

Вторият вид са ключовите ИС за зареждане (Switching Battery Charger), чието сравнение с линейните е аналогично на това между линейните и ключовите стабилизатори на постоянно напрежение. Типичната структура на ИС от този вид заедно с необходимите външни елементи е дадена на фиг. 2б. Входното постоянно напрежение постъпва на вход VBUS, а кондензаторът CIN спира променливите съставки от работата на ключовия стабилизатор. Той е образуван от транзисторите Q1 и Q2, генератора на импулси PWM MODULATOR и външно свързаните L1 и COUT, като осигурява постоянно напрежение на вход VOUТ за работата на зарядния блок СС and CV Battery Charger, свързан при зареждане през извод VBAT към акумулатора Battery. Със сини стрелки е показана посоката на тока. Същевременно ключовият стабилизатор осигурява и захранващо напрежение на товара SYSTEM LOAD. При разреждане на акумулатора токът от него преминава през "IDEAL" DIODE (транзисторът Q3 е поставен вместо диод за получаване на по-малък пад на напрежение) и от извод VOUT достига до товара. Външният транзистор Q4 се поставя само, когато токът през товара е по-голям от максималния на диода в ИС. Основната особеност на тази схема, която не е задължителна, но се използва често е, че товарът може да се захранва дори при липса на акумулатор, например GSM апарат работи при свързване към адаптор дори при липса на акумулатор. Конкретната блокова схема се управлява чрез интерфейса I2C за задаване на желаните параметри на целия процес на зареждане, но има много ИС с други начини за управление, например на специални входове се подават команди от микропроцесор. Все още най-масово разпространени са ИС със задаване на значителна част от параметрите чрез свързване на резистори между специални изводи и маса, като в каталозите задължително се дават необходимите формули за изчисление. Не са редки и случаите на задаване на 2 или 3 стойности на параметър чрез просто свързване на извод, например към маса, към входното напрежение или оставяне свободен.

ИС за акумулатори с една клетка (Single Cell Charger). Примери за тях с основните им параметри са дадени в табл. 1. С VСН е означено входното постоянно напрежение, VCHmin е допустимата му минимална стойност (в много случаи при напрежение под нея ИС се изключва) и ОVСН e максималното напрежение, при което става задължително изключване. Вход АС означава, че VСН се подава от адаптор, а входът USB вече бе споменат. При всяка ИС трябва да се обръща внимание за коя разновидност на USB стандарта тя е предназначена, тъй като това определя максималния ток на входа. С VВАТ е означено напрежението, до което се зарежда акумулаторът, като в някои ИС то е с фиксирана стойност, а в други може да се установява на 4,1 V и 4,2 V, например чрез логическо ниво на специален извод на ИС. Максималното безопасно напрежение на изхода за свързване на акумулатора е OVBat, а VBATmin е минималното напрежение, до което акумулаторът може да се разрежда и при достигането му захранваното устройство обикновено се изключва. Максималният ток на зареждане на акумулатора е ICH, но реалният ток се задава за всяко конкретно приложение по един от споменатите начини. Стойностите в таблицата са при задаване на входното напрежение от адаптор, докато при работа с USB порт те са по-малки в съответствие с максималния ток, осигуряван от съответния вариант на стандарта. С IQ е означен консумираният от ИС ток, VTR е напрежението, от което започва предварителният заряд (Trickle Threshold) и ITR е токът при този заряд. За ИС, в които този ток може да се задава с външен резистор, в таблицата е максималната му стойност. Напрежение на акумулатора равно или по-малко от VTR означава, че той е напълно разреден и може да се повреди, ако започне да се зарежда с ICH. За избягване на това зареждането (както накратко вече бе споменато) започва със значително по-малката стойност ITR и при достигане на определено напрежение токът автоматично се превключва на ICH.

Температурата TSHDN е на кристала (Die Temperature Limit) , при която зареждането се прекратява поради опасност от повреда на ИС поради прегряване. След намаляването й с 20-30 градуса (в някои каталози се указва и тази температура, но тя не е дадена в таблиците) зареждането автоматично продължава. Съществуват ИС, в които вместо TSHDN или заедно с нея се задава по-малката температура THOLD (Thermal Foldback Threshold Temperature), при достигане на която зареждането продължава, но с всеки градус над нея токът за зареждане намалява с определен процент. Част от ИС са снабдени с интерфейс, чрез който се задават някои от величините при зареждане и се получават изходящи данни за режима на работа, например когато зареждането е спряло поради прегряване. Важно е да се има предвид, че данните от интерфейса са с предимство спрямо тези, зададени чрез външни елементи на ИС. Например чрез резистор е зададено зареждане със 700 mA, а чрез интерфейса с 500 mA – валидна е последната стойност. С TJ в последната колона е дадена работната температура на кристала, а останалите стойности са за околната температура.

Особеност на ИС в ред 2 на табл. 1 е, че след TJ=100 °С токът на зареждане намалява с 5% при всяко увеличаване с 1 °С. Схемата в ред 3 има два допълнителни входа за управляване на зареждането от микропроцесор, докато тази в ред 4 е с малка постояннотокова консумация. Особеност на ИС в ред 5 е наличието на 4 разновидности с дадените в таблицата стойности на напрежението VВАТ и възможност освен с термистор, температурата на акумулатора да се следи и с позистор. Двете стойности на VВАТ на ИС в ред 8 се избират чрез подходящо свързване на един от изводите, а токът ITR може да се задава чрез външен резистор. Освен дадените ИС в таблицата е добре да се спомене FAN54013UCX на фирмата Fairchild, предназначена за същия тип акумулатори, която работи на ключов принцип, осигурява ICH=1,25 A и се управлява с интерфейса I2C.

ИС за акумулатори с две клетки (Dual Cell Charger). Често се предлагат серии от няколко ИС, част от които са за акумулатори с една клетка, а останалите – за две клетки. В табл. 2 са дадени основните параметри на ИС за две клетки. Особеност на тази в ред 1 е наличието на външен резистор, чрез който (заедно със съответния блок в ИС) непрекъснато се следи токът на зареждане. В ИС на ред 2 чрез резистор може да се задава максималният ток във входа. Дадената в ред 3 ИС има вградена система за защита на акумулатора, която прекъсва зареждането му при входно постоянно напрежение извън определените граници, при ток на зареждане над максимално допустимата стойност и при късо съединение. Освен това се измерва зарядът на акумулатора и неговата температура, данните за което се изпращат по специфичен двупроводен интерфейс. През него и с помощта на вградената EEPROM могат да се програмират значителна част от параметрите. Специфична особеност е, че всеки екземпляр от ИС има идентификационен номер от 32-разредно число. В ИС на ред 4 се задават три стойности на тока ITR чрез подходящо свързване на специален извод.

ИС за акумулатори с повече от две клетки. Като общо правило е, че тези ИС могат да зареждат акумулатори с различен брой клетки с максимален брой 4, като три примера са дадени в табл. 3. Изборът на VВАТ в ИС от ред 1 се прави чрез интерфейса й заедно с тока на зареждане, като голямата му максимална стойност се осигурява от два външни NMOS транзистора (последното се отнася и за ИС от ред 2). Специфична особеност на ИС от ред 2 е възможността за работата й с електрическата мрежа в самолети. Изборът на броя на клетките се прави чрез подходящо свързване на специален извод. В ИС на ред 3 чрез външни резистори се задават VBAT (т. е. броят на клетките) и токът на зареждане, чиято максимална стойност ICH не е отбелязана в таблицата като параметър, защото се определя от избора на два външни NMOS транзистора. Стойността на напрежението OVBat е със 17% по-голяма от VВАТ. Подобна е LTC4009-2, но тя е за акумулатори с 4,2-волтови клетки.

ИС за литиево-желязно-фосфатни акумулатори. Наименованието им се дължи на химичния състав (LiFePO4) на техния катод. Зарядната им характеристика е подобна на тази на разгледаните литиеви акумулатори, като токът на предварителния заряд се препоръчва да е между 10% и 20% от капацитета им. Основната разлика е типичната стойност от 3,3 V на VВАТ (в момента на прекратяване на заряда то обикновено е 3,6 V), а сред предимствата са, че то остава практически неизменно, докато зарядът намалее до около 20% от максималния, че безопасно могат да се разреждат до 1,8 V и че имат няколко хиляди цикъла заряд-разряд. Не трябва да се забравя и големият ток на разреждане – типично до 5 пъти капацитета на акумулатора, а импулсните стойности – до 10 пъти. Етапът на предварителен заряд не винаги съществува, т. е. дори при силно изтощен акумулатор някои ИС започват зареждането му с нормалния ток. В други напрежението VTR съществува, но завършването на предварителното зареждане се определя от таймер (то трае около 30 минути). В начина на задаване на част от параметрите чрез външни резистори няма принципна разлика от вече разгледаните. В табл. 4 са дадени примери за ИС. Особеност на ИС от ред 1 е възможността чрез логически сигнали на три входа да се задават типични стойности 96 mА (1xMode), 473 mA (5xMode) и 883 mA (10 x Mode) на тока от VCH, докато тази в ред 2 има разновидност МСР73223 с подобни параметри, но за зареждане на акумулатори с две клетки.

Универсални ИС
Наименованието им (Multichemistry Charger) е поради възможността за зареждане на различни видове акумулатори (Li-ion, Li-poly, LiFePO4, оловни), като кривата на зареждане е дадената на фиг.1. Сред характерните им особености са широкият обхват на VСН, който позволява зареждането на автомобилни акумулатори и такива за електрически инструменти, и задаването на напреженията VCH и VBAT чрез външни делители, свързвани съответно към изводи с опорни напрежения VSHDN и VFB. Чрез друг резистор се задава стойността на тока на зареждане. Съществуват и ИС, в които всички тези величини се задават чрез интерфейс. Част от ИС могат да се захранват и с постоянно напрежение от слънчеви панели (SP). Зарядът се прекратява при достигане до определена стойност на тока на зареждане или времето на заряд се задава чрез външен кондензатор, а като параметър tTIMER е препоръчваната му максимална стойност. В табл. 5 са дадени примери за универсални ИС, като тази в ред 1 автоматично се включва в режим на предварителен заряд при изтощен акумулатор и установява ток на зареждане 15% от зададения. Схемата на ред 2 може да зарежда акумулатори с напрежение до 18,8 V. Задаването на част от основните параметри в ИС на ред 3 се извършва чрез интерфейса, като напрежението VВАТ се установява до 19,2 V със стъпка 16 mV. Подобно е положението с тока на зареждане, който се задава със стъпка 32 mA. Дадената в ред 4 ИС може да зарежда акумулатори с напрежение между 2,1 V и 26 V. Токът й ICH не се дава като параметър, тъй като се определя от два външни NMOS транзистора.

Комбинирани ИС
Носят това наименование (Power Management Unit) поради факта, че освен за зареждане на акумулатор с една клетка се използват и да осигуряват стабилизираните постоянни напрежения на различни блокове в апаратурите, което означава намаляване на общия брой на използваните ИС. В общия случай част от тези напрежения се осигуряват от линейни стабилизатори, а останалата част – от ключови стабилизатори. Част от стабилизаторите са с фиксирани напрежения, а на другите се задават в определени граници. Същевременно ИС имат и изход за нестабилизирано напрежение VOUT за захранване на други блокове. Основното им предназначение е за портативни устройства. В каталозите се дават типични схеми за свързване на всяко от осигуряваните напрежения.

В табл. 6 са дадени примери за комбинирани ИС. Тази в ред 1 съдържа и нискочестотен усилвател с мощност 0,5 W, както и програмируеми източници на ток (три по 40 mA и два по 160 mA). Схемата в ред 2 има допълнителен драйвер 30 V/20 mA за светодиодна подсветка на дисплеи. За най-новата ИС в последния ред има само кратки каталожни данни, които са отразени в таблицата. Тя има и вграден блок на часовник за астрономическо време (Real Time Clock).

ИС за следене на състоянието на акумулатори
Независимо от наличието в някои ИС за зареждане на акумулатори на блокове с подобно предназначение, на пазара се предлагат множество самостоятелни ИС.
Контрол на количеството заряд (Battery Gauge). Измерването на количеството електричество, което се въвежда при зареждане или извежда при разреждане на акумулаторите се основава на известната от електротехниката зависимост, че електрическият заряд Q се получава чрез интегриране на тока във времето, като използваните измервателни единици са кулон (С) и mAh с връзка между тях 1 mAh = 3,6 C. В реалните системи за измерване на Q интегрирането се замества с измерване на тока през достатъчно кратки интервали от време (в използваните за целта ИС те са около 1 s), докато самият ток се измерва чрез напрежението върху нискоомен резистор RQ.

Чрез аналоговоцифров преобразувател (АЦП) стойността на напрежението се превръща в двоично число, което се записва в регистър, чието съдържание във всеки момент от времето съответства на Q. Типичното време за измерването на напрежението и записа не надхвърля 20 ms. Данните от регистъра се извеждат чрез някой от стандартните интерфейси. В каталозите на някои ИС се отбелязва стойността qLSB на количеството заряд, съответстващо на младшия разред на числото. То е с фиксирана стойност при ИС с вграден RQ, а при тези с външен резистор се задава чрез съпротивлението му. Освен Q обикновено ИС измерват още напрежението на акумулатора и температурата на кристала на ИС или на акумулатора.

Съществена особеност на ИС са вградените защити, които могат да бъдат от късо съединение във веригата на акумулатора (Short Circuit) SC, максимален заряд (Maximal Charge) MaxQ, минимален заряд (Minimal Charge) MinQ, ток на зареждане над допустимия (Overcurrent Charge) OCC и аналогично при разреждане (Overcurrent Discharge) OCD, напрежение на акумулатора над максимално допустимото (Overvoltage) OV, под минимално допустимото (Undervoltage, Over-Discharge) UV и достигане на максималната температура на кристала Tmax. Пример за свързването на ИС за контрол на количеството заряд към ИС за зареждане е даден на фиг. 3.

В табл. 7 са дадени примери за ИС, като ТСЕ е относителната грешка при измерване на Q. Единствената ИС с вграден RQ е тази в ред 3, докато останалите са с външен резистор. Схемата в ред 1 съдържа два чипа, монтирани един до друг – за аналоговата част и вграденото микропроцесорно управление с необходимите памети. За ИС в ред 3 дадената в таблицата стойност на qLSB е най-голямата – чрез програмиране тя може да се променя между qLSB/128 и 127qLSB/128 със стъпка qLSB/128. За ИС с външен резистор в каталозите се дава формула за изчисляване на qLSB в зависимост от съпротивлението му. Схемата в ред 5 работи по специален алгоритъм, който рязко намалява грешката в измерваните величини. Дадената в ред 6 ИС може да измерва Q до 7300 mAh, докато тази в последния ред е до 7200 mAh.

Сред последните новости е предназначената за следене на състоянието на автомобилни акумулатори ZSSC1856 на германския производител ZMDI, в разработката активна роля има българският развоен център ZMD Eastern Europe. Тази ИС съдържа два 18-разредни АЦП, като единият следи тока на акумулатора, а другият – неговото напрежение и температура. Измерванията се правят и при неработещ двигател за оценка на саморазряда на акумулатора, например когато автомобилът продължително време не се използва. Чрез специализиран вграден микроконтролер се оценява количеството заряд на акумулатора и неговото състояние. В ИС е вграден и блок за работа с вариантите 1.3, 2.0 и 2.1 на интерфейса LIN.

Контрол на напрежението на всяка клетка. Категорията ИС от този тип е предназначена за измерване на напрежението на всяка клетка на Li-ion акумулатори, което се прави много точно чрез използването на многоразредни АЦП. В някои ИС се ползва един, който чрез мултиплексор се превключва към всяка от клетките, а други имат отделен АЦП за всяка клетка. Може да се измерва напрежението на акумулатори с една клетка (bq294602 на TI), с три клетки (bq294502), с 3 до 6 клетки (AD8280 на AD), само с 6 клетки (ATA6870 на Atmel), с 4 до 10 клетки (bq77910 отново на TI) и до 12 клетки (MAX11080 на MAXIM). Освен напрежения две от ИС (AD8280 и АТА6870) могат чрез външни термистори да измерват и две температури. Основната цел на всички измервания е да се подаде алармен сигнал известно време след достигане на критичната стойност на следената величина. Времето обикновено е фиксирано на няколко секунди, но в МАХ11080 може да се задава чрез външен кондензатор между 3 ms и 3,32 s. Самият сигнал е подходящо логическо ниво на съответен извод на ИС или се подава чрез интерфейс.

В таблица 8 са дадени величините, при достигането на чиито критични стойности се получава аларма.

Top