Микросхема для зарядки аккумуляторов от usb

Интегральные схемы управления зарядом аккумуляторов производства Maxim

Maxim DS2710 DS2712 DS2714 DS2715

В современных сложных портативных электронных устройствах использование невосстанавливаемых батарей становится экономически неэффективным – на длительном промежутке времени суммарная стоимость необходимого количества разовых батарей многократно превышает стоимость одного аккумулятора. В статье рассматриваются основные типы аккумуляторов, применяемых в мобильной электронной технике, а также интегральные схемы управления батарейным питанием (Battery Management), выпускаемые компанией Maxim Integrated Products.

Электрический аккумулятор — это химический источник тока многоразового действия. Он используется для накопления энергии и автономного питания различных электронных устройств. Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путем его заряда, то есть при пропускании тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, последовательно соединенных в одну электрическую цепь, часто называет аккумуляторной батареей. Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита.

Рассмотрим основные параметры аккумуляторов и аккумуляторных батарей:

• Удельная электроемкость. Измеряется в Вт·час/кг. Характеризует скорее тип аккумулятора, а не его конкретную модель. Поскольку первоначальной областью применения кислотно-свинцовых (Lead Acid) аккумуляторов были стартерные батареи для автомобильного транспорта и аварийные источники электроэнергии, по своим массогабаритным характеристикам совсем не миниатюрные, то в единице измерения традиционно присутствует именно килограмм (хотя применительно к аккумуляторам мобильных устройств это вызывает удивление). Используются также схожие характеристики: удельная мощность – Вт/кг и удельная энергоплотность – Вт·час/литр.
• Номинальное напряжение элемента (или ЭДС), измеряемое в Вольтах. Также характеризует тип аккумулятора.
• Емкость аккумулятора (или аккумуляторной батареи), измеряемая в А.час. Данный параметр характеризует конкретное изделие.
• Номинальное напряжение аккумуляторной батареи, измеряемое в Вольтах. Также характеризует конкретное изделие.
• Количество циклов заряд-разряд (по сути – срок службы изделия). Ксожалению, данные различных производителей сложно сравнивать: одни под сроком службы понимают количество циклов, после которых первоначальная емкость падает на 80%, другие – 50 или 30%.
• Саморазряд аккумулятора, измеряемый в %/месяц. Даже при отсутствии подключенной нагрузки заряд аккумулятора с течением времени непрерывно уменьшается.
• Ток нагрузки (пиковый и оптимальный).
• Диапазон рабочих температур (как правило, для разряда).

В современной электронной технике наиболее распространены следующие типы аккумуляторов:

• Никель-кадмиевые (NiCd);
• Никель-металлогидридные (Ni-MH);
• Литий-ионные (Li-Ion);
• Литий-полимерные (Li-Pol).

Рассмотрим коротко особенности каждого из них. Никель-кадмиевый аккумулятор — химический источник тока, электрохимическая система которого устроена следующим образом: анодом является металлический кадмий (в виде порошка), электролитом – гидроксид калия с добавкой гидроксида лития, катодом – гидрат окиси никеля с графитовым порошком. Первыми в мобильных электронных устройствах стали применяться именно никель-кадмиевые аккумуляторы.

Основные достоинства:

• Невысокая стоимость.
• Высокая надежность. Данные аккумуляторы невосприимчивы к перезаряду и не теряют работоспособность при полном разряде.
• Более высокие значения пикового и оптимального тока нагрузки (по сравнению с другими типами аккумуляторов) при одинаковой емкости.
• Устойчивая работа при отрицательных температурах.
• Допускают длительное хранение в разряженном состоянии.

Основные недостатки:

• Наиболее существенный: аккумуляторы этого типа подвержены необратимому «эффекту памяти».
• Большой, по сравнению с литиевыми аккумуляторами, саморазряд. При малых токах нагрузки аккумулятор быстро теряет заряд именно за счет саморазряда. По этой причине в часах и пультах дистанционного управления используются все-таки одноразовые батареи, а не аккумуляторы – от саморазряда аккумуляторы «сядут» быстрее, чем от их использования.

Несколько слов об «эффекте памяти». Под этим понимается потеря емкости аккумулятора в случае частой зарядки не полностью разряженного аккумулятора. В этом случае происходит укрупнение кристаллов рабочего вещества (электролита) аккумулятора. Чем мельче кристаллы электролита, тем больше их суммарная площадь и, следовательно, максимально количество энергии, запасаемой аккумулятором. При укрупнении кристаллов в процессе эксплуатации суммарная площадь их поверхности уменьшается и, как следствие, уменьшается реальная емкость — иными словами, «аккумулятор не держит».

В никель-металлогидридных аккумуляторах в качестве анода используется водородный металлогидридный электрод (обычно никель-лантан или гидрид никель-литий), в качестве электролита — гидроксид калия, в качестве катода – оксид никеля. Исследования в области технологии изготовления Ni-MH аккумуляторов начались как попытка преодоления недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов.

Основные достоинства:

• Частично устранен «эффект памяти». Это означает, что заряжать не полностью разряженный аккумулятор можно, если он хранился в таком состоянии не более нескольких дней. Если же аккумулятор был частично разряжен, а затем не использовался в течение длительного времени, то перед зарядом его необходимо разрядить.
• Большая удельная электроемкость по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами.

Основные недостатки:

• Критичность к перезаряду.
• Аккумуляторы необходимо хранить полностью заряженными. При хранении надо регулярно (раз в 1-2 месяца) проверять напряжение. Если напряжение упало ниже 1 В, необходимо зарядить аккумуляторы заново.
• Практически по всем параметрам (число циклов «заряд-разряд», величина саморазряда, токи нагрузки, диапазон рабочих температур) уступают никель-кадмиевым аккумуляторам.

Литий-ионный аккумулятор – тип электрического аккумулятора, широко распространенный в современной бытовой электронной технике. В настоящее время это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, медиаплейеры. В качестве анода используется графит, а в качестве катода – оксиды лития с кобальтом или марганцем. Литий-кобальтовые пластины служат дольше, а литий-марганцевые значительно дешевле. В качестве электролита используют различные соли лития (раствор или гель). На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, отличить которые по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств.

Преимущества:

• Высокая плотность энергии и, как следствие, большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.
• Низкий саморазряд.
• Высокое напряжение единичного элемента, что упрощает конструкцию – зачастую аккумуляторная батарея состоит только из одного элемента.
• Отсутствует эффект памяти.
• Как следствие – удобство в эксплуатации и простота обслуживания. Нет необходимости в периодических циклах разряда для восстановления емкости.

Недостатки:

• Более высокая стоимость по сравнению с никелевыми аккумуляторами.
• Меньшие токи нагрузки при равной емкости с никелевыми аккумуляторами.
• Для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме того, она ограничивает максимальные токи заряда-разряда и контролирует температуру элемента. Врезультате возможность металлизации лития практически исключена.
• Аккумулятор подвержен старению, даже если он не используется- уже через два года он теряет большую часть своей емкости.
• Аккумуляторы этого типа могут быть опасны при разрушении корпуса. Попытки зарядки аккумуляторов с дефектами корпуса могут повлечь за собой бурную реакцию с воспламенением выделяющихся газов.

Оптимальные условия хранения Li-Ion аккумуляторов достигаются при 40% заряде от емкости аккумулятора.

Попытки решения проблем с обеспечением безопасности эксплуатации Li-Ion аккумуляторов привели к появлению литий-полимерных аккумуляторов. Основное отличие — в используемом электролите: в литий-полимерных аккумуляторах используется не раствор или гель, а твердый сухой электролит (в виде пленки) в который для повышения электропроводности добавляется некоторое количество геля.

Основные преимущества:

• Низкая цена за единицу емкости. В перспективе- возможность достижения характеристик Li-Ion аккумуляторов по существенно более низкой цене.
• Отсутствие эффекта памяти.
• Низкий саморазряд.
• Толщина элементов от 1мм и возможность придавать аккумулятору гибкую форму.
• Экологическая безопасность.

Недостатки:

• В настоящее время по таким параметрам как удельная электроемкость и количество циклов заряд-разряд литий-полимерные аккумуляторы несколько уступают литий-ионным.
• Диапазон рабочих температур литий-полимерных аккумуляторов ограничен: элементы плохо работают при отрицательных температурах.

Основные технические характеристики перечисленнных типов аккумуляторов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики основных видов аккумуляторов

Источник

Все для литиевых аккумуляторов: микросхемы STM для зарядных устройств и мониторинга батарей

В современных мобильных электронных устройствах, даже тех, которые спроектированы с учетом минимизации энергопотребления, использование невосстанавливаемых батарей уходит в прошлое. И с экономической точки зрения — уже на непродолжительном интервале времени суммарная стоимость необходимого количества разовых батарей быстро превысит стоимость одного аккумулятора, и с точки зрения удобства пользователя — проще перезарядить аккумулятор, чем искать, где купить новую батарейку. Соответственно, зарядные устройства для аккумуляторов становятся товаром с гарантированным спросом. Неудивительно, что практически все производители интегральных схем для устройств электропитания уделяют внимание и «зарядному» направлению.

Еще лет пять назад обсуждение микросхем для заряда аккумуляторных батарей (Battery Chargers IC) начиналось со сравнения основных типов аккумуляторов — никелевых и литиевых. Но в настоящее время никелевые аккумуляторы практически перестали использоваться и большинство производителей микросхем заряда либо полностью прекратило выпуск микросхем для никелевых батарей, либо выпускает микросхемы, инвариантные к технологии батареи (так называемые Multi-Chemistry IC). В номенклатуре компании STMicroelectronics в настоящее время присутствуют только микросхемы, предназначенные для работы с литиевыми аккумуляторами.

Коротко напомним основные особенности литиевых аккумуляторов. Достоинства:

• Высокая удельная электроемкость. Типичные значения 110…160Вт*час*кг, что в 1,5…2,0 раза превышает аналогичный параметр для никелевых батарей. Соответственно, при равных габаритах емкость литиевой батареи выше.
• Низкий саморазряд: примерно 10% в месяц. В никелевых батареях этот параметр равен 20…30%.

Недостатки литиевых батарей:

• Необходимость защиты по току и напряжению. В частности, необходимо исключить возможность короткого замыкания выводов аккумулятора, подачи напряжения обратной полярности, перезаряда.
• Необходимость защиты от перегрева: нагрев батареи выше определенного значения негативно влияет на ее емкость и срок службы.

Существуют две промышленные технологии изготовления литиевых аккумуляторов: литий-ионная (Li-Ion) и литий-полимерная (Li-Pol). Однако, поскольку алгоритмы заряда этих батарей совпадают, то микросхемы заряда не разделяют литий-ионную и литий-полимерную технологии. По этой причине обсуждение достоинств и недостатков Li-Ion- и Li-Pol-аккумуляторов пропустим, сославшись на литературу [1, 2, 3].

Рассмотрим алгоритм заряда литиевых батарей, представленный на рисунке 1.

Рис. 1. Алгоритм заряда литиевых батарей

Первая фаза, так называемый предварительный заряд, используется только в тех случаях, когда батарея сильно разряжена. Если напряжение батареи ниже 2,8 В, то ее нельзя сразу заряжать максимально возможным током: это крайне отрицательно скажется на сроке службы аккумулятора. Необходимо сначала «подзарядить» батарею малым током примерно до 3,0 В, и только после этого заряд максимальным током становится допустим.

Вторая фаза: зарядное устройство как источник постоянного тока. На этом этапе через батарею протекает максимальный для заданных условий ток. При этом, напряжение аккумулятора постепенно растет до тех пор, пока не достигнет предельного значения, равного 4,2 В. Строго говоря, по завершению второго этапа заряд можно прекратить, но при этом следует иметь в виду, что аккумулятор на данный момент заряжен примерно на 70% своей емкости. Отметим, что во многих зарядных устройствах максимальный ток подается не сразу, а плавно нарастает до максимума в течение нескольких минут — используется механизм «плавного старта» (Soft Start).

Если желательно зарядить батарею до значений емкости, близких к 100%, то переходим к третьей фазе: зарядное устройство как источник постоянного напряжения. На этом этапе к батарее приложено постоянное напряжение 4,2 В, а ток, протекающий через батарею, в процессе заряда уменьшается от максимума до некоторого заранее заданного минимального значения. В тот момент, когда значение тока уменьшается до этого предела, заряд батареи считается законченным и процесс завершается.

Напомним, что одним из ключевых параметров аккумуляторной батареи является ее емкость (единица измерения — А*час). Так, типичная емкость литий-ионного аккумулятора типоразмера ААА равна 750…1300 мА*ч. Как производная от этого параметра используется характеристика «ток 1С», это величина тока, численно равная номинальной емкости (в приведенном примере — 750…1300 мА). Значение «тока 1С» имеет смысл только как определение величины максимального тока при заряде батареи и величины тока, при которой заряд считается законченным. Принято считать, что величина максимального тока не должна превышать величины 1*1С, а заряд батареи можно считать завершенным при снижении тока до величины 0,05…0,10*1С. Но это те параметры, которые можно считать оптимальными для конкретного типа батареи. В реальности одно и то же зарядное устройство может работать с аккумуляторами различных производителей и различной емкости, при этом емкость конкретной батареи остается для зарядного устройства неизвестной. Следовательно, заряд батареи любой емкости в общем случае будет происходить не в оптимальном для батареи режиме, а в режиме, предустановленном для зарядного устройства.

Перейдем к рассмотрению линейки микросхем заряда компании STMicroelectronics.

Микросхемы STBC08 и STC4054

Эти микросхемы представляют собой достаточно простые изделия для заряда литиевых аккумуляторов. Микросхемы выполнены в миниатюрных корпусах типа DFN6 и TSOT23-5L, соответственно. Это позволяет использовать данные компоненты в мобильных устройствах с достаточно жесткими требованиями по массогабаритным характеристикам (например, сотовые телефоны, МР3-плейеры). Схемы включения STBC08 и STC4054 представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Схемы включения микросхем STBC08 и STC4054

Несмотря на ограничения, которые накладывает минимальное количество внешних выводов в корпусах, микросхемы обладают достаточно широкими функциональными возможностями:

• Нет необходимости в применении внешнего MOSFET-транзистора, блокировочного диода и токового резистора. Как следует из рисунка 2, внешняя обвязка ограничивается фильтрующим конденсатором на входе, программирующим резистором и двумя (для STC4054- одним) индикаторными светодиодами.
• Максимальное значение тока заряда программируется номиналом внешнего резистора и может достигать значения 800мА. Факт окончания заряда определяется в тот момент, когда в режиме постоянного напряжения значение зарядного тока снизится до величины 0,1*I_BAT, то есть, также задается номиналом внешнего резистора. Максимальный ток заряда определяется из соотношения:

где I_BAT — ток заряда в Амперах, R_PROG — сопротивление резистора в Омах, V_PROG — напряжение на выходе PROG, равное 1,0 Вольта.

• В режиме постоянного напряжения на выходе формируется стабильное напряжение 4,2В с точностью не хуже 1%.
• Заряд сильно разряженных батарей автоматически начинается с режима предварительной зарядки. До тех пор, пока напряжение на выходе аккумулятора не достигнет величины 2,9В, заряд осуществляется слабым током величиной 0,1*I_BAT. Подобный метод, как уже отмечалось, предотвращает весьма вероятный выход из строя при попытке заряда сильно разряженных аккумуляторов обычным способом. Кроме того, величина стартового значения зарядного тока принудительно ограничивается, что также увеличивает срок службы батарей.
• Реализован режим автоматической капельной подзарядки- при снижении напряжения батареи до 4,05В цикл заряда будет перезапущен. Это позволяет обеспечить постоянный заряд батареи на уровне не ниже 80% от его номинальной емкости.
• Защита от перенапряжения и перегрева. Если значение входного напряжения превышает определенный предел (в частности, 7,2В) или если температура корпуса превысит величину 120°С, то зарядное устройство отключается, защищая себя и аккумулятор. Разумеется, реализована также защита от низкого входного напряжения- если входное напряжение опустилось ниже определенного уровня (U_VLO), то зарядное устройство также отключится.
• Возможность подключения светодиодов индикации позволяет пользователю иметь представление о текущем состоянии процесса зарядки батареи.

Микросхемы заряда батареи L6924D и L6924U

Данные микросхемы представляют собой устройства с более широкими возможностями по сравнению с STBC08 и STC4054. На рисунке 3 представлены типовые схемы включения микросхем L6924D и L6924U.

Рис. 3. Схемы подключения микросхем L6924D и L6924U

Рассмотрим те функциональные особенности микросхем L6924, которые касаются задания параметров процесса заряда батареи:

1. В обеих модификациях есть возможность задать максимальную продолжительность заряда батареи начиная с момента перехода в режим стабилизации постоянного тока (также используется термин «режим быстрой зарядки» — Fast charge phase). При переходе в этот режим запускается сторожевой таймер, запрограммированный на определенную длительность T_PRG номиналом конденсатора, подключенного к выводу T_PRG. Если до срабатывания данного таймера заряд батареи не будет прекращен по штатному алгоритму (снижение тока, протекающего через батарею, ниже значения I_END), то после срабатывания таймера зарядка будет прервана принудительно. При помощи этого же конденсатора задается максимальная продолжительность режима предварительной зарядки: она равна 1/8 от продолжительности T_PRG. Также, если за это время не произошел переход в режим быстрой зарядки, происходит выключение схемы.

2. Режим предварительной зарядки. Если для устройства STBC08 ток в этом режиме задавался как величина, равная 10% от I_BAT, а напряжение переключения в режим постоянного тока было фиксированным, то в модификации L6924U этот алгоритм сохранился без изменений, но в микросхеме L6924D оба этих параметра задаются с использованием внешних резисторов, подключаемых ко входам I_PRE и V_PRE.

3. Признак завершения зарядки на третьей фазе (режим стабилизации постоянного напряжения) в устройствах STBC08 и STC4054 задавался как величина, равная 10% от I_BAT. В микросхемах L6924 этот параметр программируется номиналом внешнего резистора, подключаемого к выводу I_END. Кроме того, для микросхемы L6924D существует возможность снизить значение напряжения на выводе V_OUT с общепринятого значения 4,2 В до значения 4,1 В.

4. Значение максимального зарядного тока I_PRG в данных микросхемах задается традиционным образом — посредством номинала внешнего резистора.

Как видим, в простых «зарядках» STBC08 и STC4054 при помощи внешнего резистора задавался только один параметр — зарядный ток. Все остальные параметры были либо жестко зафиксированы, либо являлись функцией от I_BAT. В микросхемах L6924 есть возможность тонкой подстройки еще нескольких параметров и, кроме того, осуществляется «страховка» максимальной продолжительности процесса зарядка батареи.

Для обеих модификаций L6924 предусмотрено два режима работы, если входное напряжение формируется сетевым AC/DC-адаптером. Первый — стандартный режим линейного понижающего регулятора выходного напряжения. Второй — режим квазиимпульсного регулятора. В первом случае в нагрузку может быть отдан ток, величина которого чуть меньше, чем величина входного тока, отбираемого от адаптера. В режиме стабилизации постоянного тока (вторая фаза — Fast charge phase) разница между входным напряжением и напряжением на «плюсе» батареи рассеивается как тепловая энергия, вследствие чего рассеиваемая мощность на этой фазе заряда максимальна. При работе в режиме импульсного регулятора в нагрузку может быть отдан ток, значение которого выше, чем значение входного тока. При этом «в тепло» уходит существенно меньшая энергия. Это, во-первых, снижает температуру внутри корпуса, а во-вторых — повышает эффективность устройства. Но при этом следует иметь в виду, что точность стабилизации тока в линейном режиме равно приблизительно 1%, а в импульсном — около 7%.

Работа микросхем L6924 в линейном и квазиимпульсном режимах иллюстрируется рисунком 4.

Рис. 4. Линейный и квазиимпульсный режим заряда в микросхемах L6924D и L6924U

Микросхема L6924U, кроме того, может работать не от сетевого адаптера, а от USB-порта. В этом случае микросхема L6924U реализует некоторые технические решения [4], которые позволяют дополнительно снизить рассеиваемую мощность за счет увеличения продолжительности зарядки.

Микросхемы L6924D и L6924U имеют дополнительный вход принудительного прерывания заряда (то есть отключения нагрузки) SHDN.

В простых микросхемах заряда температурная защита заключается в прекращении заряда при повышении температуры внутри корпуса микросхемы до 120°С. Это, конечно, лучше, чем полное отсутствие защиты, но величина 120°С на корпусе с температурой самой батареи связана более чем условно. В изделиях L6924 предусмотрена возможность подключения термистора, непосредственно связанного с температурой аккумулятора (резистор RT1 на рисунке 3). При этом появляется возможность задать температурный диапазон, в котором заряд батареи станет возможным. С одной стороны, литиевые батареи не рекомендуется заряжать при минусовой температуре, а с другой — также крайне нежелательно, если батарея при зарядке нагревается более чем до 50°С. Применение термистора дает возможность производить зарядку батареи только при благоприятных температурных условиях.

Естественно, дополнительный функционал микросхем L6924D и L6924U не только расширяет возможности проектируемого устройства, но и приводит к увеличению площади на плате, занимаемой как самим корпусом микросхемы, так и внешними элементами обвязки.

Микросхемы заряда аккумулятора STBC21 и STw4102

Это — дальнейшее усовершенствование микросхемы L6924. С одной стороны, реализован приблизительно тот же функциональный пакет:

• Линейный и квазиимпульсный режим.
• Термистор, связанный с батареей, как ключевой элемент температурной защиты.
• Возможность задания количественных параметров для всех трех фаз процесса зарядки.

Некоторые дополнительные возможности, отсутствовавшие в L6924:

• Защита от неправильной полярности.
• Защита от короткого замыкания.
• Существенным отличием от L6924 является наличие цифрового интерфейса I 2 C для задания значений параметров и других настроек. Как следствие, становятся возможными более точные настройки процесса заряда. Рекомендуемая схема включения STBC21 приведена на рисунке 5. Очевидно, что в данном случае вопрос об экономии площади платы и о жестких массогабаритных характеристиках не стоит. Но также очевидно, что применение данной микросхемы в малогабаритных диктофонах, плейерах и мобильных телефонах простых моделей не предполагается. Скорее, это аккумуляторы для ноутбуков и подобных устройств, где замена батареи- процедура нечастая, но и недешевая.

Рис. 5. Рекомендуемая схема включения STBC21

Микросхемы STBC21 и STw4102 не принадлежат к одному семейству. Несмотря на то, что их основные функциональные возможности схожи, в мелких деталях существует значительное количество различий. Микросхема STw4102, например, предоставляет более широкие возможности в «тонких» настройках практически всех возможных параметров, кроме того, реализованы дополнительные функции мониторинга батареи, имеется возможность использования внешнего MOSFET-транзистора. Однако целевая область применения обеих микросхем примерно одна и та же.

Микросхемы контроля/индикации

Основу линейки «батарейных микросхем» любого производителя составляют именно микросхемы заряда аккумуляторных батарей (Battery Chargers IC), которые и были рассмотрены выше. Но многие производители дополняют номенклатуру «сопутствующими» микросхемами, к которым можно отнести микросхемы контроля состояния батареи (Battery Status Monitor) и микросхемы индикации уровня заряда батареи (Battery Gas Gauge). В номенклатуре STMicroelectronics обе эти роли выполняют STC3100 и STC3105. Схема включения STC3105 представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Схема включения STC3105

С функциональной точки зрения микросхема осуществляет периодические измерения значений напряжения на выходе микросхемы и тока, протекающего через нее. Полученные и обработанные данные передаются на микроконтроллер по каналу I 2 C. Данные микросхемы, с одной стороны, могут оказаться эффективным дополнением для простых микросхем заряда в приложениях, где не имеет смысла усложнять саму процедуру заряда, но может оказаться полезным расширить функции контроля над процессом. С другой стороны, интерфейс I 2 C предполагает наличие микроконтроллера, который должен получить данные и, в результате, принять какое-то решение на их основе. Но в этом случае напрашивается решение о применение интеллектуальных микросхем STBC21 и STw4102, в которых уже реализованы некоторые функции мониторинга.

CC/CV-контроллеры

Помимо функционально законченных микросхем заряда аккумуляторных батарей, компания STMicroelectronics предлагает семейство микросхем CC/CV-контроллеров, в частности — микросхем серии TSM101x. Данные микросхемы включают в себя опорный источник напряжения и два операционных усилителя, как правило, с объединенным выходом. На рисунке 7 представлен фрагмент схемы сетевого зарядного устройства для литиевой батареи с использованием контроллера TSM1012. На первом операционном усилителе (CV — Constant Voltage) реализован контур стабилизированного постоянного напряжения, на втором (CC — Constant Current) — контур стабилизированного постоянного тока. Остальные компоненты представляют собой типовую обвязку импульсного источника питания и задающие цепи.

Рис. 7. Сетевое зарядное устройство на CC/CV-контроллере TSM1012

Напомним, что цикл заряда литиевого аккумулятора состоит из двух фаз, в которых устройство выступает в качестве источника постоянного тока и одной фазы, в которой устройство выступает в качестве источника постоянного напряжения. Безусловно, проектирование зарядного устройства на базе универсальных «кирпичиков» — более хлопотное и трудоемкое занятие, нежели использование специализированных схем. Однако, в этом случае становится возможным создание устройств, в которых некоторые параметры оказываются на существенно ином качественном уровне. Так, например, в работе [5] приводится ряд решений, позволяющих существенно снизить энергопотребление сетевого зарядного устройства в режиме холостого хода. Приводятся расчеты, согласно которым, типовое решение обеспечивает значение полной потребляемой мощности, равное 440 мВт. Первоначальная оптимизация схемы с применением контроллера TMS1011 дает величину 140 мВт, а дальнейшая оптимизация схемы на контроллере TMS1012 обеспечивает дальнейшее снижение мощности до величины 104 мВт. Безусловно, в большинстве случаев можно обойтись и типовыми решениями, которые дают не рекордные, но вполне приемлемые показатели. Однако, стоит иметь в виду и тот факт, что в линейке продукции есть компоненты, позволяющие, при необходимости, разработать устройство с «элитарными» значениями отдельных параметров.

DC/DC-преобразователи
для солнечных батарей

Для большинства мобильных устройств с питанием от аккумуляторных батарей зарядное устройство выполняется в виде автономного устройства для бытовой сети переменного тока. То есть в любом случае для формирования входного постоянного напряжения для микросхемы заряда батареи требуется AC/DC-преобразователь. Компания STMicroelectronics предлагает широкий спектр подобных преобразователей, а также проверенную технологию проектирования сетевых адаптеров. Однако сетевые зарядные устройства — хотя и самое распространенное, но не единственно возможное решение. В качестве источника энергии может быть использована солнечная энергия, накапливаемая в солнечных батареях. В номенклатуре компании STMicroelectronics присутствуют микросхемы DC/DC-преобразователей для солнечных батарей, использующих алгоритм MPPT (Maximum Power Point Tracking — слежение за точкой максимальной мощности). Не вдаваясь в специфические детали, отметим, что на сегодня технология MPPT является наиболее передовой и эффективной технологией для контроллеров заряда солнечной батареи. Вычисление максимальной точки эффективности заряда от солнечного модуля позволяет повысить эффективность генерации солнечной энергии до 25…30% по сравнению с контроллерами других типов [6]. В настоящий момент STMicroelectronics выпускает две микросхемы — SPV1020 и SPV1040. Первая работает с цепочкой последовательно соединенных солнечных батарей с выходным напряжением в диапазоне 6,5…40 В. Вторая — как правило, с одной, батареей напряжением до 5,5 В. Компания STMicroelectronics также выпустила демонстрационную плату STEVAL-ISV012V1, включающую в себя MPPT DC/DC-преобразователь SPV1040 и микросхему заряда L6924D. На рисунке 8 показана демонстрационная плата.

Рис. 8. Демонстрационная плата зарядного устройства на солнечной батарее STEVAL-ISV012V1

В материале [7] указывается, что суммарная эффективность подобной связки составляет примерно 85% (для SPV1040 — 94%, для L6924D — 90%).

Заключение

Номенклатуру микросхем для заряда аккумуляторных батарей, которые предлагает компания STMicroelectronics, нельзя назвать очень широкой: линейка включает в себя восемь изделий и примерно столько же микросхем в смежных нишах. Но реальные функциональные возможности существующих изделий STMicroelectronics покрывают основные потребности рынка в зарядных микросхемах от достаточно простых изделий до высокотехнологичных решений. Возможности интеграции микросхем заряда с такими современными технологиями, как солнечные батареи, также представляются очень перспективным направлением.

Литература

1. Чигарев М. Микросхемы управления зарядом аккумуляторов компании ON Semiconductor//Новости Электроники, № 3, 2010.

2. Никитин А. Интегральные схемы управления зарядом аккумуляторов производства Maxim//Новости электроники, № 15, 2009.

3. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. — М.: Изумруд, 2003.

4. L6924U. USB compatible battery charger system with integrated power switch for Li-Ion/Li-Polymer//Материал компании STMicroelectronics. Размещение в Интернете: Ссылка

5. Camiolo Jean, Scuderi Giuseppe. Reducing the Total No-Load Power Consumption of Battery Chargers and Adapter Applications Polymer//Материал компании STMicroelectronics. Размещение в Интернете: Ссылка

6. Maximum power point tracker. Статья в Википедии. Страница в Интернете: http://en.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_point_tracker

7. STEVAL-ISV012V1: lithium-ion solar battery charger//Материал компании STMicroelectronics. Размещение в Интернете: Ссылка.

Источник