Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Computer ControlsComputer Controls
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Uniwersalny kontroler ładowania baterii

ghost666 11 Paź 2019 09:06 2103 0
  • Pierwszym krokiem do zaprojektowania dowolnej ładowarki jest wybór układu scalonego pełniącego rolę jej kontrolera, z szerokiej gamy dostępnych rozwiązań. Aby podjąć świadomą decyzję, zespół projektowy musi najpierw jasno zdefiniować parametry akumulatora (typ, liczba ogniw itd.) oraz parametry wejściowe (źródło prądu - energia słoneczna, USB itp.). Zespół musi następnie poszukać ładowarek pasujących do założonych parametrów wejściowych i wyjściowych, porównując liczne karty katalogowe, aby znaleźć najlepsze rozwiązanie. Proces selekcji układu powinien pozwolić zespołowi wybrać najlepsze rozwiązanie dla danej aplikacji, dopóki oczywiście nie zmienią się parametry projektu, co oznacza de facto powrót do poszukiwania kontrolera.

    A co jeżeli ten krok można by całkowicie pominąć? Co by było, gdyby projektant mógł skoncentrować się nad aplikacją, traktując kontroler ładowarki jako uniwersalną czarną skrzynkę, którą należy wypełnić prawdziwym układem scalonym, gdy przyjdzie czas na stworzenie działającego rozwiązania? Projektant mógłby po prostu wykorzystać uniwersalny scalony kontroler ładowarki, niezależny od istotnych parametrów konstrukcyjnych systemu. Nawet w przypadku zmiany parametrów aplikacji (np. inne wejścia, zmieniony typ akumulatora) taki układ nadal pasuje. Nie jest wymagana dodatkowa praca w poszukiwaniu kolejnego kontrolera.


    Uniwersalny kontroler ładowania baterii
    Ten problem można zilustrować, analizując dwa bardzo różne problemy projektowe, z jakimi mierzą się elektronicy. Załóżmy następującą sytuację:

    * Zespół projektowy A ma za zadanie zaprojektowanie ładowarki, która pobiera energię z ogniwa fotowoltaicznego i ładuje akumulator kwasowo-ołowiowy. Ładowarka musi być samodzielna - tutaj nie ma mikrokontrolera - ale powinna być wystarczająco uniwersalna, aby obsługiwać kilka różnych modeli paneli słonecznych. Mają tydzień na opracowanie schematu urządzenia.

    * Zespół projektowy B ma większy problem z ładowarką. Ich konstrukcja wymaga zasilania 5 V z USB i ładuje 1-ogniwowy akumulator litowo-jonowy prądem 1,3 A do napięcia końcowego 4,1 V na ogniwo. Powyżej 47°C konieczne jest obniżenie napięcie ładowania do 4 V na ogniwo przy prądzie ładowania 0,5 A, a powyżej 72°C trzeba zatrzymać ładowanie. Mikrokontroler w takim systemie musi mierzyć napięcie, prąd, temperaturę i stan akumulatora. Mają także tydzień na opracowanie schematu układu.

    Okazuje się, że oba zespoły projektowe mogą używać tego samego układu scalonego jako kontrolera ładowarki, a to urządzenie jest prawdopodobnie najlepszym wyborem dostępnym dla obu aplikacji.

    Dobre rzeczy są w małych opakowaniach

    Monolityczna ładowarka LTC4162 (do 35 V i 3,2 A) oferuje eleganckie połączenie prostoty i wszechstronności. Układ ten może pracować samodzielnie lub wraz z kontrolerem i zapewnia różne rozwiązania - od podstawowego do złożonego systemu ładowania. W pełni funkcjonalny system telemetryczny z interfejsem I²C pozwala użytkownikowi monitorować akumulator i wprowadzać niestandardowe parametry ładowania, specyficzne dla danego modelu akumulatora. Implementacja algorytmu śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT) umożliwia optymalne działanie ładowarki z dowolnego źródła o wysokiej impedancji, takiego jak panel fotowoltaiczny. Algorytm ładowania jest dostosowany do wybranego ogniwa, obsługiwane są następujące typy: litowo-jonowy, LiFePO4 oraz kwasowo-ołowiowy.

    Wszystkie te funkcje mieszczą się w kompaktowej obudowie QFN z 28 wyprowadzeniami. Obudowa ma wymiary 4 mm × 5 mm, a typowy kompletny układ ładowania nie jest większy niż około 1 cm × 2 cm.

    Uniwersalny kontroler ładowania baterii
    Rys.2. Przykładowa aplikacja układu LTC4162 jest tak prosta jak tylko się da, a pozwala na zestawienie kompletnej ładowarki do akumulatorów.


    Poczuj moc!

    Nie dajmy się jednak zwieść małemu rozmiarowi kontrolera. Nawet ze zintegrowanymi tranzystorami przełączającymi (tranzystory FET) LTC4162 może obsłużyć ponad 60 W mocy ładowania. Wewnętrzny układ kontroli temperatury układu umożliwia LTC4162 regulację prądu ładowania tak, aby nigdy się nie przegrzewał, nawet w najgorętszych warunkach otoczenia i bardzo kompaktowych obudowach.

    Technologia PowerPath™ (dla kluczy INFET i BATFET) zapewnia, że obciążenie systemu (VOUT) jest zawsze zasilane napięciem wejściowym (VIN), jeśli jest obecne lub baterią, jeśli VIN jest nieobecne. Zastosowanie zewnętrznych tranzystorów polowych z kanałem typu N pozwala na tworzenie ścieżek o niskich stratach bez ograniczeń co do wielkości prądu, który można przekazać do obciążenia.

    Telemetria i kontrola

    Chociaż LTC4162 może działać bez zewnętrznego kontrolera, wiele aspektów ładowania można monitorować i kontrolować przez port I²C. System telemetryczny w układzie odczytuje napięcia i prądy w układzie w czasie rzeczywistym. Możliwa jest konfiguracja różnych limitów oraz alertów, aby powiadamiać kontroler, gdy zmierzona wartość osiągnie ustalony próg lub gdy zostanie wprowadzony określony stan ładowania. Na przykład możliwe jest przejście całego urządzenia w tryb niskiego zużycia energii, gdy napięcie akumulatora spadnie poniżej pewnej dolnej granicy. Zamiast mikrokontrolera stale sprawdzającego napięcie akumulatora, LTC4162 może być odpowiedzialny za monitorowanie i poinformować kontroler o osiągnięciu takiego limitu. W tym momencie kontroler może wyłączyć główne obciążenie i przejść w stan niskiego poboru mocy.

    Uniwersalny kontroler ładowania baterii
    Rys.3. Zintegrowany w LTC4162 system telemetrii i kontroli spełni wszystkie wymagania dotyczące monitorowania i alarmów.


    System telemetryczny może również mierzyć rezystancję szeregową baterii (BSR), która służy jako wskaźnik jej stanu. Pomiar ten można skonfigurować tak, aby uruchamiał się automatycznie, a dodatkowy alert może powiadomić kontroler np. o przekroczeniu konfigurowalnego, górnego poziomu BSR, w którym to momencie mikrokontroler może zasygnalizować użytkownikowi konieczność wymiany baterii.

    Po odłączeniu zasilania wejściowego i zasileniu systemu z akumulatora, LTC4162 automatycznie wyłącza system telemetryczny, aby wydłużyć żywotność baterii. Jeśli potrzebny jest tego rodzaju pomiar, system telemetrii można manualnie włączyć za pomocą komendy I²C, jednakże w takiej sytuacji system ten działa w wolniejszym trybie telemetrycznym zoptymalizowanym do zmniejszenia poboru mocy. W tym trybie, w którym pomiary są wykonywane co pięć sekund. W razie potrzeby szybkość pomiarów można w dowolnym momencie ustawić na normalną prędkość - 11 ms na odczyt.

    Robi się gorąco

    LTC4162 umożliwia zastosowanie ładowania zależnego od temperatury. W przypadku ogniw litowych (Li-ion i LiFePO4) LTC4162 może stosować ładowanie kontrolowane temperaturą wg krzywej JEITA. Pozwala ona użytkownikowi ustawić niestandardowe regiony temperatury, w których wykorzystywane są niestandardowe napięcie i prąd ładowania akumulatora do ładowania akumulatora. Pozwala to również projektantowi decydować o temperaturach skrajnych - gorących i zimnych - przy których akumulator powinien przestać się ładować. Domyślne ustawienia krzywej JEITA (pokazane na rysunku 4) sprawdzają się dla wielu ogniw, bez potrzeby interwencji procesora, ale funkcja ta umożliwia LTC4162 pracę z ogniwami wymagającymi dedykowanego profilu temperatury akumulatora.

    Uniwersalny kontroler ładowania baterii
    Rys.4. Domyślny profil JEITA dla ogniwa litowo-jonowego.


    Podobnie w przypadku akumulatorów ołowiowo-kwasowych, algorytm kompensacji temperatury liniowo zmniejsza napięcie docelowe na każdym etapie ładowania wraz ze wzrostem temperatury. Napięcia te można kompensować również za pomocą poleceń I²C, a nachylenie kompensacji można modyfikować, po prostu zmieniając zewnętrzny termistor stosowany do pomiaru temperatury ogniwa.

    MPPT i stabilizacja wejścia

    Dla uproszczenia budowy, wiele obwodów stosowanych we współpracy z ogniwami fotowoltaicznymi ustawia maksymalne napięcie punktu maksymalnej mocy jako stałą wartość dla danego ogniwa. W rzeczywistości napięcie to dryfuje z natężeniem oświetlenia, a częściowo zasłonięty panel słoneczny może mieć wiele takich szczytów. Poprzez przemiatanie całego zakresu napięcia, panelu podłączonego do swojego źródła zasilania, zaawansowany algorytm śledzenia maksymalnego punktu mocy (MPPT) w układzie LTC4162 uwzględnia wszystkie zmienne, zawsze ustalając maksymalny punkt mocy. Oprócz sporadycznych zmian zakresu dla paneli słonecznych, LTC4162 ditheruje (rozmywa) napięcie stabilizacji na wejściu, aby stale poszukiwać drobnych zmian w napięciu punktu maksymalnej mocy. Funkcje te nie wymagają programowania, więc panele fotowoltaiczne można zmienić bez modyfikacji układu i oprogramowania ładowarki.

    Korzyści z regulacji wejściowej wykraczają poza samo wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych. Na przykład wiele kabli USB ma znaczną impedancję szeregową, co powoduje spadek napięcia na wejściu ładowarki, gdy pobierany jest większy prąd. Ograniczenie prądu na wejściu przez LTC4162 stabilizuje prąd w taki sposób, aby na wejściu utrzymywane było odpowiednie napięcie.

    Uniwersalny kontroler ładowania baterii
    Rys.5. Domyślny profil termiczny 12-woltowego ogniwa kwasowo-ołowiowego.

    Uniwersalny kontroler ładowania baterii
    Rys.6. Prąd i napięcie z ogniwa fotowoltaicznego.


    Zasilanie poprzez USB

    LTC4162 jest zgodny ze specyfikacją USB Power Delivery, która pozwala na uzyskanie do 100 W mocy poprzez port i kabel USB typu C. Limit prądu wejściowego dla LTC4162 można skonfigurować tak, aby wejście nie było przeciążone. Po osiągnięciu limitu prądu wejściowego obciążenie systemu może nadal pobierać tyle mocy, ile potrzebuje z wejścia, ale prąd ładowania akumulatora jest zmniejszany tak, aby limit prądu wejściowego nie został przekroczony. W przypadku USB PD oznacza to, że jeden obwód LTC4162 może być zasilany przez różne profile zasilaczy – układ zawsze dostosowuje się do sytuacji.

    Tryb niskiego poboru mocy na czas przesyłki produktu

    Gdy produkt musi być wysyłany lub przechowywany przez dłuższy czas, jedno polecenie I²C może przełączyć LTC4162 w specjalny stan niskiego poboru energii, zmniejszając prąd rozładowania akumulatora do około 3,5 μA. Opcjonalnie obwód można skonfigurować tak, aby zupełnie odcinał energię od obciążenia systemu w tym czasie.

    Szeroki wybór dostępnych układów

    Aby uprościć projektowanie i dokumentację, LTC4162 jest posiada różne warianty dedykowane do ogniw wykorzystujących różne technologie, parametry ładowania oraz tego, czy potrzebne jest MPPT (czy jest domyślnie włączone). Tabela 1 pokazuje wszystkie dostępne warianty LTC4162.

    MPPT domyślnie wyłączoneMPPT domyślnie włączoneRodzaj ogniwNapięcie ogniwa
    LTC4162EUFD-LAD, LTC4162EUFD-L40, LTC4162EUFD-L41, LTC4162EUFD-L42LTC4162EUFD-LADM, LTC4162EUFD-L40M, LTC4162EUFD-L41M, LTC4162EUFD-L42MLitowo jonoweRegulowanej poprzez I²C lub ustalone na jednym z poziomów – 4,0 V, 4,1 V lub 4,2 V
    LTC4162EUFD-FAD, LTC4162EUFD-FST, LTC4162EUFD-FFSLTC4162EUFD-FADM, LTC4162EUFD-FSTM, LTC4162EUFD-FFSMLiFePO4Regulowane poprzez I²C, ustalone 3,6 V lub 3,8 V w trybie szybkiego ładowania
    LTC4162EUFD-SAD,LTC4162EUFD-SSTLTC4162EUFD-SADM, LTC4162EUFD-SSTMOłowiowo-kwasoweRegulowane poprzez I²C


    Każdy wariant ma kompatybilne wyprowadzenia i może być stosowany wymiennie z inną wersją układu podczas prototypowania. Warianty LTC4162 są zamienne, aby uprościć tworzenie produktów, które wykorzystują ten sam obwód, ale używają różnych rodzajów akumulatorów, napięć ładowania czy źródeł zasilania.

    Aby uprościć dokumentację, karty katalogowe dla LTC4162 są podzielone na warianty oparte na chemii ogniwa; istnieją osobne karty danych dla ogniw Li-ion, LiFePO4 i kwasowo-ołowiowych.

    Podsumowanie

    Zanim członkowie zespołu projektowego spędzą cały dzień na czytaniu kart katalogowych dla różnych ładowarek, monitorów zasilania i kontrolerów MPPT dla ogniw fotowoltaicznych - przed godzinami pisania oprogramowania dla niestandardowego algorytmu ładowania, zależnego od temperatury i ręcznego monitorowania pomiarów w celu wykrycia przekroczenia limitów - mogą chcieć rozważyć sięgnięcie po uniwersalną ładowarkę. Istnieje spora szansa, że LTC4162 jest najlepszym urządzeniem do tego zadania.

    Źródło: https://www.analog.com/en/technical-articles/one-size-fits-all-battery-charger.html

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9543 postów o ocenie 7607, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Computer ControlsComputer Controls