Хотя литий-ионные и другие широко используемые технологии значительно повысили плотность энергии батарей и сделали возможным создание подобных изделий, они требуют значительно большего ухода, чем батареи со старым химическим составом, чтобы максимально увеличить интервал между зарядками и срок службы изделия. Простого подключения источника питания к клеммам и отключения его после того, как внутреннее напряжение достигнет достаточного уровня, недостаточно.
Проблемы, связанные с технологией производства батарей:
Литий-ионные батареи, в частности, уязвимы к таким факторам, как перезаряд. Это не только повреждает элементы, но и может быть опасно. Перезаряд повышает давление внутри элементов и может вызвать тепловой разгон, что может привести к возгоранию батареи. Именно поэтому все контроллеры заряда, представленные на рынке, включают защиту от перезаряда.
Для поддержания высокого уровня заряда батареи и максимального времени автономной работы требуется высокая степень контроля над процессом от начала до конца. Микросхемы MAX77960B и MAX77961B, разработанные компанией Maxim Integrated, являются двумя примерами того, как этого можно достичь в портативных системах. Такое устройство заряжает батарею в три последовательных этапа: предварительная зарядка, зарядка постоянным током и зарядка постоянным напряжением. Этап предварительной зарядки используется для надлежащей подготовки батареи к полной зарядке, что важно для предотвращения повреждения, если элементы почти полностью разряжены. Процесс включает в себя подачу небольшого тока на начальном этапе. Зарядное устройство использует измерения и защитный таймер для проверки успешного завершения этого этапа и, если нет, сообщает об ошибке главному микроконтроллеру.
Два других режима требуют компромисса. Зарядка постоянным током — самый быстрый метод, но он сопряжен с риском повреждения батареи, поскольку включает в себя более высокие уровни тока, которые могут вызвать перегрев. Именно поэтому контроллеры заряда батарей включают в себя входы для датчиков температуры, чтобы ограничивать мощность, если батарея слишком сильно нагревается. Как правило, когда батарея почти полностью заряжена, контроллер заряда переключается в режим постоянного напряжения. Это предотвращает перегрев и помогает продлить срок службы батареи, но значительно замедляет процесс зарядки.
Улучшенное управление зарядом предлагает и другие преимущества. Оно позволяет оптимизировать общие размеры и вес системы, не только самой батареи, но и схемы питания. Некоторые контроллеры заряда являются высокоинтегрированными. Например, MC34674 от NXP Semiconductors — это полностью интегрированное зарядное устройство для одноэлементных литий-ионных и литий-полимерных батарей, оптимизированное для использования в поездках. Для его работы требуется только внешний светодиод для индикации состояния зарядки, два развязывающих конденсатора и терморезисторная схема с подключением для определения температуры батареи.
Зарядные устройства и преобразователи напряжения для источников питания:
та же потребность в высокой степени интеграции с минимальным количеством пассивных компонентов применима и к преобразователям постоянного тока, используемым для обработки и подачи питания на различные устройства в системе с их специфическими требованиями к напряжению и току. Большое количество необходимых линий питания, даже в относительно небольших портативных устройствах, от 1 В для цифровой системы на кристалле (SoC) до 12 В и более для аналоговых входов/выходов, делает компактные решения еще более ценными. За счет использования меньшего количества внешних пассивных компонентов и снижения потерь при преобразовании схемы зарядного устройства и регулятора могут быть меньше по размеру и работать без громоздких радиаторов на силовых транзисторах, что позволяет создавать компактные и эффективные системы. Одним из способов повышения плотности является то, что MAX77960B и MAX77961B выступают одновременно в качестве понижающих преобразователей и зарядных устройств: они подают питание на портативную систему всякий раз, когда напряжение питания батареи выше желаемого выходного напряжения.
Независимо от того, используется ли перезаряжаемая или неперезаряжаемая батарея, напряжение батареи будет снижаться по мере разряда элементов. Если это напряжение упадет ниже рабочего диапазона преобразователя, оставшийся заряд батареи будет потрачен впустую, что приведет к сокращению времени работы батареи. Использование преобразования постоянного тока с понижающим и повышающим режимами позволяет извлекать максимально возможный заряд.
Рисунок 1. Характеристики тока разряда: на графике показано выходное напряжение как функция времени при разряде батареи. Источник: https://www.farnell.com/datasheets/2305652.pdf
Возможность поддержки режимов энергосбережения имеет решающее значение для устройств Интернета вещей (IoT), таких как датчики окружающей среды и носимые устройства, предназначенные для мониторинга здоровья и самочувствия. Эти устройства находятся в спящем режиме в течение длительных периодов времени и пробуждаются на доли секунды, прежде чем снова перейти в спящий режим. При таких коротких рабочих циклах низкий ток покоя имеет решающее значение во всей системе, включая схемы управления питанием. Например, разработанный компанией Maxim понижающе-повышающий преобразователь MAX710ESE+ позволяет использовать подсистему линейного регулятора исключительно в этих спящих режимах, чтобы ограничить потребление тока и предотвратить разряд батареи в течение длительных периодов бездействия.
Мониторинг и управление батареей:
Во многих приложениях одинаково важно знать, сколько заряда осталось, и контролировать ток, протекающий к каждой ячейке в батарейном блоке. Сочетание этих двух элементов может иметь решающее значение для автомобильных систем, поскольку водители не захотят находиться далеко от зарядной станции, если оценка заряда неверна или если дисбаланс приводит к недостаточному напряжению из-за чрезмерного разряда нескольких ячеек. Во всех системах точная оценка заряда помогает оптимизировать время зарядки и управление емкостью. В настоящее время некоторые системы используют эти измерения для замедления зарядки и увеличения срока службы батареи, сравнивая текущий заряд с ожидаемым потреблением. Во многих случаях для управления и мониторинга батарей доступны специализированные продукты.
Микросхема Renesas ISL94202 предназначена для батарей, содержащих до восьми элементов, и обеспечивает автономное управление батареей без необходимости использования управляющего микроконтроллера. Устройство автоматически регулирует балансировку элементов в батарее и имеет несколько защитных функций для предотвращения перегрузок по току и других проблем. Другой пример — Infineon Technologies TLE9012AQU, которая выполняет четыре основные функции: измерение напряжения элементов, измерение температуры, балансировку элементов и обеспечение изолированной связи с центральным контроллером батареи. Такое сочетание функций делает устройство хорошо подходящим для крупных автомобильных и коммуникационных систем, где требуется параллельное подключение нескольких батарейных блоков. Для обеспечения точности измерения состояния элементов каждый элемент контролируется 16-битным АЦП.
Современные конструкции автомобилей могут включать в себя несколько различных подсистем батарей для питания различных частей транспортного средства, от трансмиссии до информационно-развлекательной системы. Многие производители сейчас планируют отказаться от низковольтной батареи, используемой для питания вспомогательных цепей, и вместо этого использовать высоковольтную трансмиссионную батарею для питания оборудования в салоне. Это требует не только преобразователей постоянного тока, оптимизированных для максимального снижения энергопотребления, но и систем управления батареями, способных обрабатывать сложную топологию питания. Ассортимент интегральных микросхем NXP для управления батареями и их поддержки, таких как MC33771C, разработан для удовлетворения широкого спектра требований. Эти устройства поддерживают изолированную последовательную связь для передачи информации на центральный микроконтроллер и могут синхронно измерять ток между различными батарейными блоками.
С другой стороны, для поддержки растущего использования датчиков Интернета вещей (IoT), сбор энергии становится важным методом пополнения доступной мощности для портативных и работающих от батарей устройств. Сбор энергии позволяет датчикам безопасности и другим маломощным устройствам работать в течение многих лет без замены батарей или подключения устройства к электросети.
Распространенная конфигурация — это сочетание одноразовой батареи, например, литиевой батарейки-таблетки, с перезаряжаемым устройством, будь то суперконденсатор или небольшая литий-ионная батарея. Технологии сбора энергии не всегда обеспечивают эффективную подачу заряда, а источники часто работают с высоким импедансом. Поэтому для минимизации потерь необходима тщательная разработка схемы. Микросхема MAX20361 от Maxim предлагает разработчикам интегрированное решение, способное использовать энергию солнечных элементов и подавать полезный заряд на последующие схемы. Интегрированный повышающий преобразователь может работать от входного напряжения всего 225 мВ.
интеграцию
в системы максимально простой. Поддержка проектирования со стороны опытных инженеров таких дистрибьюторов, как Farnell, гарантирует, что команды получат наилучшие рекомендации по выбору устройств для каждого конкретного применения.
Автор: Клифф Ортмайер, руководитель глобального отдела технического маркетинга компании Farnell.
