Введение.
Растущий спрос на портативные электронные устройства обусловил необходимость в эффективных портативных системах управления питанием. Портативные зарядные устройства стали незаменимыми аксессуарами, обеспечивая надежный резервный источник питания для смартфонов, планшетов и других устройств с питанием от USB. Используя демонстрационные платы, мы сначала создали модульное портативное зарядное устройство для батарей в качестве подтверждения концепции. Этот прототип был собран путем объединения демонстрационных плат и впоследствии превратился в одноплатное решение с улучшенными характеристиками и другими усовершенствованиями. Это решение принимает несколько источников входного питания, таких как батареи, солнечная энергия или адаптеры постоянного тока, и интеллектуально управляет потоком энергии для зарядки батареи и одновременного питания нагрузки.
Цель этой статьи — изучить возможности интеллектуального управления потоком питания интегральных схем Analog Devices в компактном корпусе без ущерба для производительности. В ней описываются проектные соображения, концепция и оценка производительности одноплатного решения, а также подчеркиваются его преимущества по сравнению с многоплатным прототипом.

Блок-схема:
В данной компоновке разработана компактная и оптимизированная архитектура, поддерживающая два широких диапазона входных напряжений: от солнечной панели и от адаптера переменного тока в постоянный. Управление входным напряжением осуществляется интеллектуально с помощью LTC4416 понижающим зарядным устройством LTC4162. Такая конфигурация обеспечивает эффективную зарядку различных литий-ионных батарей с конфигурацией до 4S1P.

Рисунок 1. Блок конструкции с одной пластиной.

Как показано на рисунке 1, система включает в себя повышающе-понижающий импульсный стабилизатор напряжения LTC3115-1, который динамически регулирует выходное напряжение на нагрузке и обеспечивает постоянный максимальный выходной ток 5 В и 2 А, в то время как LTC4162 контролирует уровень заряда батареи.

Выбор компонентов и проектирование компоновки:
Три основных компонента оптимизируют производительность системы на основе конфигурации проектного блока. Эти компоненты были выбраны для повышения эффективности системы, минимизации потерь мощности, уменьшения площади печатной платы и снижения общей стоимости. Их принципиальная схема показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема однопластинчатой ​​конструкции.

1. Двойные источники входного напряжения с LTC4416.
Для переключения между двумя источниками входного питания можно использовать простую конфигурацию логического элемента ИЛИ с использованием диодов. Однако такой подход приводит к значительным потерям мощности из-за присущего диодам падения прямого напряжения, даже при использовании диодов Шоттки с низким падением напряжения. LTC4416 обеспечивает плавное переключение между двумя источниками с очень низким падением прямого напряжения, тем самым снижая потери мощности. За счет управления внешними P-канальными MOSFET-транзисторами для имитации идеальных диодов это устройство значительно снижает потери проводимости, тем самым повышая общую эффективность и надежность системы.
LTC4416 работает в шести различных режимах. Каждый режим работы зависит от конфигурации входных выводов E1 и E2, как указано в техническом описании. В этой конфигурации выбранный режим: V1 больше V2, где E1 установлен в положение Sense, а E2 — в положение 0. Это означает, что микросхема отдает приоритет источнику питания V1. В этом режиме работы микросхема настроена на приоритетное питание V1 в широком диапазоне входного напряжения от 15 В до 35 В постоянного тока, в то время как вторичным источником напряжения V2 является солнечная панель (от 3,6 В до 15 В). Когда V1 больше или равно 15 В, E1 позволяет V1 стать основным источником напряжения и отключает V2, поскольку V1 выше, чем V2.
Когда V1 падает до 13,4 В, V2 становится основным источником питания, а V1 отключается от выхода. Пока напряжение солнечной панели находится в диапазоне от 3,6 В до 15 В, V2 будет продолжать подавать питание на выходную нагрузку до тех пор, пока V1 не восстановится. Точка сброса V1 установлена ​​на 15 В, как показано на рисунке 2.
Точки сбоя и восстановления V1 можно изменить, изменив значения резисторов R1, R2 и R3 на рисунке 2. Это можно сделать, используя формулу, приведенную в техническом описании:

После определения V1 можно выбрать V2 для обеспечения оптимальной конфигурации. Если V1 выйдет из строя или станет недоступным, система автоматически переключится на V2 для поддержания питания до достижения точки восстановления, при условии, что V1 > V2. Поскольку выходная мощность зависит от источника с самым высоким напряжением, восстановление не произойдет, если V2 > V1.

2. Интеллектуальное управление распределением энергии.
В таких приложениях, как портативные зарядные устройства и другие устройства, требующие одновременного использования и зарядки батареи, внедрение системы управления распределением энергии является идеальным решением. Такой подход помогает оптимизировать работу батареи и продлить срок ее службы за счет эффективного управления распределением энергии между системой и батареей. Система интеллектуально управляет входным питанием, выбирая один из трех источников: адаптер переменного/постоянного тока, солнечную панель или батарею. Адаптер переменного/постоянного тока или солнечная панель в основном используются для зарядки батареи.
Если адаптер переменного/постоянного тока выходит из строя и напряжение солнечной панели падает ниже минимального значения, система автоматически переключается на заряженную резервную батарею для питания нагрузки. Выходной сигнал цепи питания LTC4416 поступает на LTC4162-L, который поддерживает входное напряжение до 35 В.
LTC4162-L обеспечивает немедленную работу даже при разряженной или отсутствующей батарее и имеет встроенную систему отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) для повышения эффективности преобразования солнечной энергии.
При интенсивном солнечном свете солнечная панель работает в двух режимах: низкое сопротивление при постоянном напряжении и высокое сопротивление при постоянном токе. Такое поведение обеспечивает стабильность контура управления устройства при работе с более низким сопротивлением (например, в режиме высокого напряжения). Однако, поскольку интегральная схема использует входное напряжение для определения точки максимальной мощности (MPPT), напряжение солнечной панели падает из-за более высокого сопротивления (например, в режиме низкого напряжения), что приводит к нестабильности контура управления. В данной конструкции вход солнечной панели работает при высоком сопротивлении (

3. Резервная литий-ионная батарея.
Зарядное устройство LTC4162 поддерживает конфигурации до восьми последовательно соединенных литий-ионных элементов (8S) и доступно в нескольких вариантах, оптимизированных для различных типов батарей: LTC4162-L для литий-ионных батарей, LTC4162-F для литий-железо-фосфатных (LiFePO4) и LTC4162-S для свинцово-кислотных батарей. В данной конструкции реализована совместимость с конфигурациями до 4S (питание от 1S до 4S) из сложенных литий-ионных элементов, как показано в таблице 1.

Таблица 1. Настройки конфигурации батареи

Данная конфигурация определяется с помощью контактов CELLS1 и CELLS0 в соответствии с рекомендациями по назначению, приведенными в таблице 1.

4. Импульсный стабилизатор.
Выходное напряжение LTC4162-L затем регулируется синхронным понижающе-повышающим импульсным стабилизатором. LTC3115-1 — это высокоэффективный монолитный синхронный понижающе-повышающий DC-DC преобразователь, предназначенный для применений, требующих широкого диапазона входного напряжения и низкого уровня шума. Он работает в диапазоне от 2,7 В до 40 В и может обеспечивать постоянный ток до 2 А. Этот импульсный стабилизатор также имеет программируемое выходное напряжение, плавный переход между понижающим и повышающим режимами и надежные функции защиты, что делает его подходящим для промышленных и аккумуляторных применений.
Он был выбран для этой конструкции из-за его превосходной эффективности и бесшумной работы. Преобразователь может обеспечивать ток до 2 А при входном напряжении, превышающем 6 В, и 1 А при напряжении выше 3,6 В, что делает его легко адаптируемым к различным условиям питания. Для всех конфигураций батарей (1S, 2S, 3S, 4S) через разъем была настроена блокировка при пониженном напряжении (UVLO), как показано на рисунке 2 (разъем J5).

5. Выход USB Type-C.
Выход был сконфигурирован с использованием USB Type-C в режиме без подачи питания (PD) для зарядки любых портативных устройств, требующих стабилизированного выходного напряжения 5 В с током до 2 А. В таблице 2 описан выбор значений резисторов для различных источников тока для порта USB.

Таблица 2. Ток, подаваемый через USB Type-C без поддержки PD

Производительность на одной плате:
Плата была специально разработана как 4-слойная печатная плата для обеспечения стабильной, бесшумной и эффективной работы, как показано на рисунке 3. Разводка выполнена в конфигурации SIG/Power – GND – GND – SIG/Power, и для каждого компонента используются рекомендации по размещению компонентов, приведенные в техническом описании. Плата получает питание от двух входов, V1 и V2, которые используются для зарядки батареи и питания нагрузки. В случае отказа основного источника питания, солнечная панель берет на себя питание нагрузки в периоды высокой интенсивности солнечного излучения, одновременно заряжая батарею. Ночью или при низкой интенсивности солнечного излучения и падении напряжения на солнечной панели система автоматически обнаруживает это и переключается на питание от батареи для поддержания работы нагрузки.

Рисунок 3. Одноплатное решение в работе и в ходе испытаний.

Рисунок 4. Анализ переходных процессов и ступенчатой ​​реакции.
Предполагая конфигурацию с батареей 1S, если напряжение батареи упадет ниже 3,3 В, LTC3115-1 автоматически отключится для защиты батареи путем активации функции UVLO. Этот механизм помогает предотвратить глубокие разряды, которые могут повредить батарею или сократить срок ее службы. Порог UVLO можно точно настроить для каждой конфигурации батареи, изменяя значения резисторов R7, R19, R27 и R21. Этого можно достичь, используя формулу UVLO из технического описания LTC3115-1. Это позволит установить минимальный предел напряжения на уровне 3,0 В в зависимости от требований приложения.
Для защиты схемы от неправильного подключения батареи реализована защита от обратной полярности с помощью диода (D3) и предохранителя (FUSE1). Кроме того, вход дополнительно защищен от обратного напряжения диодами в корпусе MOSFET-транзисторов Q1, Q4 и Q3, которые действуют как барьер против нежелательного протекания тока.
Динамическое поведение системы при изменяющихся условиях нагрузки иллюстрируется характеристиками переходной и ступенчатой ​​реакции, как показано на рисунке 4, который демонстрирует работу контура управления и эффективность применяемой компенсационной сети в широком диапазоне рабочих условий. На рисунке 5 показано поведение приоритетного переключения выхода LTC4416 при снижении напряжения V1 от более высокого уровня до 15 В. Выход устройства плавно переключается на V2 при 8 В, обеспечивая неизменность выходной нагрузки ee при изменении напряжения. При этом точка сброса V1 устанавливается на уровне 16,8 В.

Рисунок 5. Приоритетное переключение LTC4416 с V1 (15 В) на V2 (8 В) при постоянном выходном напряжении нагрузки (фиксированное VOUT = 5 В; ток нагрузки = 1 А, R1 = 281 кОм и R3 = 24,9 кОм).

Сравнение многослойных демонстрационных плат с одной платой.
В этом разделе представлено всестороннее сравнение прототипной конфигурации с несколькими демонстрационными платами и недавно разработанного решения на одной плате. В прототипе использовались три независимые демонстрационные платы: LTC4416 для идеального управления питанием диодов, LTC4162-L для зарядки аккумулятора и управления питанием, а также CN0509. Плата CN0509 особенно примечательна своим широким диапазоном входного напряжения от 5 В до 100 В и способностью обеспечивать стабилизированное выходное напряжение 5 В с током до 2 А. Она объединяет LTC7103 изолированный обратноходовой преобразователь LT8302 для обеспечения гальванической изоляции между входом и выходом.

Рисунок 6. Размеры прототипа демонстрационной платы, собранной в стопку, по сравнению с размерами одиночной платы.

Напротив, одноплатная конструкция объединяет эти функции за счет замены микросхем LTC7103 и LT8302 одним компонентом: LTC3115-1. Целью этого перехода было улучшение общей производительности системы за счет повышения эффективности, уменьшения физических размеров и снижения стоимости комплектующих. Хотя некоторые функции, такие как изолированный выход, были принесены в жертву, компромисс привел к более оптимизированной и практичной конструкции, хорошо подходящей для масштабируемых приложений.

Физический размер платы
: Внедрение решения на одной плате значительно оптимизирует общую конструкцию системы за счет сокращения спецификации материалов (BOM) примерно на 30% и ее размеров, как показано на рисунке 6.
Кроме того, компактность решения на одной плате способствует повышению эффективности архитектуры системы питания. Интеграция множества функций на единой платформе делает конструкцию более компактной, позволяя использовать меньшие габариты без ущерба для производительности. Это особенно полезно в приложениях, где ограничения по пространству имеют решающее значение, например, в портативных электронных устройствах.

Эффективность:
Одним из наиболее заметных улучшений этой платы является ее способность обеспечивать высокоэффективную подачу питания. Оптимизированная подача питания снижает потери энергии, что, в свою очередь, позволяет увеличить время работы и улучшить тепловые характеристики. Высокая эффективность важна для устройств с батарейным питанием, где экономия энергии напрямую приводит к увеличению срока службы батарей. Минимизируя потери энергии и максимизируя ее использование, решение на одной плате играет решающую роль в повышении производительности системы. На рисунке 7 показано, что решение на одной плате достигает максимальной эффективности 92,94% при входном напряжении 8 В и 91% при входном напряжении 10 В. Для сравнения, прототип демонстрационной платы с многослойной компоновкой достиг максимальной эффективности всего 73,79% при входном напряжении 10 В. Низкая эффективность прототипа демонстрационной платы с многослойной компоновкой явно обусловлена ​​потерями мощности в проводах, используемых для соединения нескольких плат, а также потерями в секции обратноходового преобразователя.
При отказе обоих источников входного напряжения батарея автоматически питает нагрузку. При использовании конфигурации с 2S батареей и номинальным напряжением 7,4 В, решение на одной плате достигает максимальной эффективности 94,52%, по сравнению с 77,12% для прототипа демонстрационной платы с многослойной компоновкой. Это указывает на то, что конструкция на одной плате более эффективно экономит энергию батареи во время работы системы, как показано на рисунке 7. В оптимизированном решении на одной плате максимальный выходной ток составляет 2 А при входном напряжении 6 В, тогда как в предыдущем прототипе платы максимальный ток 2 А достигался при 12 В, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Регулировка выходного тока и КПД (одноплатная система по сравнению с прототипной многослойной демонстрационной платой).

Заключение:
Разработано компактное, интегрированное, одноплатное решение для портативного зарядного устройства с использованием компонентов ADI. Эта усовершенствованная конструкция отличается оптимизированной компоновкой, которая повышает общую эффективность и уменьшает габариты. Архитектура универсальна и адаптируема, что делает ее подходящей для широкого спектра применений, связанных с устройствами, работающими от батарей. Она поддерживает интеллектуальное управление питанием, что продлит срок службы батареи.
Эта концепция может быть использована в интегрированных автомобильных системах для объединения фотоэлектрического входа с другими источниками питания и резервными батареями в крупномасштабном производстве. В таких конфигурациях могут использоваться мощные продукты ADI, такие как LTC4020.

Ссылка:
Диармуид, Кэри. «Как создать прототип портативного зарядного устройства для аккумуляторов без разработки какого-либо специального оборудования». Analog Dialogue, февраль 2023 г.

Об авторе

Доктор Учечукву Мадуагву работает инженером по применению продукции в центральной команде разработчиков в Дублине. Он присоединился к Analog Devices в 2023 году и оказывает поддержку в проектировании решений для управления энергопотреблением, обслуживая клиентов на европейском рынке. Доктор Учечукву имеет несколько ученых степеней.