Porównanie różnych topologii ładowarek do baterii

Elektronika zasilana bateryjnie staje się wszechobecna w sektorach daleko poza przestrzenią elektroniki osobistej. Aplikacje te wymagają różnych napięć i prądów, co prowadzi do wykorzystywania różnych rodzajów i konfiguracji ognie. Przykładowo - przenośne narzędzia elektryczne, laptopy i drony wymagają większej mocy niż urządzenia fitness czy słuchawki bezprzewodowe. Różnorodność poziomów mocy wymaga szerokiej oferty topologii ładowarek. W tym artykule omówiono różne topologie systemów ładowania akumulatorów wraz z typowymi przykładami, w których można ich użyć.

Wiele rozważań dotyczy decyzji, której topologii ładowarki użyć w danej implementacji. Wszystkie aplikacje zasilane bateryjnie pobierają z ogniw pewien ładunek, który musi być przezeń dostarczany. Wymagania tego obciążenia będą dyktować poziomy napięcia i prądu potrzebne do prawidłowego działania. Pakiet ogniw może obejmować pojedyncze ogniwa połączone ze sobą szeregowo w celu uzyskania wyższego napięcia i/lub ogniwa połączone ze sobą równolegle w celu uzyskania większej pojemności akumulatora. Konfiguracja pakietu nakłada bezpośrednie, ściśle określone wymagania dotyczące ładowarki, takie jak napięcie ładowania i prąd. Oprócz tych czynników, w urządzeniu zasilanym z baterii, źródło zasilania dla systemu ładowania musi być wybrane tak, aby naładować akumulator w rozsądnym czasie. Typowe źródła zasilania obejmują dedykowane adaptery (np. zasilacze gniazdkowe) do ładowania oraz złącza USB. Chociaż mają one różne możliwości jeśli chodzi o napięcie i prąd, układ scalony ładowarki (IC) musi być w stanie łączyć się i ładować akumulator wszystkimi wybranymi źródłami.

Topologie ładowarek dla ogniw litowo-jonowych

Scalona ładowarka wykorzystuje energię ze źródła prądu stałego do ładowania akumulatora. Ta konwersja mocy może być osiągnięta poprzez różne topologie, z których każda oferuje pewne kompromisy i wyróżnia się jakimś zestawem cech na tle pozostałych architektur tego rodzaju systemów.

Liniowa ładowarka zmienia rezystancję elementu liniowego w celu regulacji prądu i napięcia ładowania. Ładowarka może też bezpośrednio modulować samo źródło napięcia wejściowego. W tym przypadku ładowarka składa się z urządzenia przejściowego wykorzystywanego jako rezystor, a układ ładowania akumulatora musi komunikować się ze źródłem napięcia wejściowego, aby osiągnąć pełny cykl ładowania. Obie liniowe topologie ładowarek wymagają napięcia wejściowego, które musi być wyższe niż napięcie akumulatora, aby system działał poprawnie. Z kolei ładowarka impulsowa moduluje napięcie i wykorzystuje filtr dolnoprzepustowy LC do stabilizacji prądu ładowania lub napięcia ładowania, niezależnie od napięcia zasilania. Zmiana elementów klucza czy filtra LC, może pozwolić, by ten typ ładowarki ładował ogniwa o napięciu wyższym lub niższym niż napięcie wejściowe.

Przegląd ładowarek liniowych

Jak pokazano na rysunku 1a - typowa ładowarka liniowa składa się z dwóch dwukierunkowych kluczy izolujących wejście i wyjście systemu od siebie. Środkowy punkt pomiędzy tymi dwoma elementami, często nazywany PMID, może zasilać system. Dlatego napięcie zasilania systemu może wahać się od napięcia wejściowego (jeśli występuje) do napięcia akumulatora po odłączeniu zewnętrznego zasilacza. To oddzielenie napięcia systemowego i napięcia akumulatora nazywane jest zarządzaniem ścieżką mocy i jest powszechną cechą wśród systemów zasilanych z akumulatorów i zewnętrznych zasilaczy.

Podczas normalnej pracy z obecnym zewnętrznym zasilaniem, pierwszy klucz włącza się i zwiera wejście do PMID, podczas gdy drugi przełącznik tak zmienia swoją rezystancję, aby stabilizować prąd i napięcie na wyjściu do akumulatora na odpowiednim poziomie. Ładowarka liniowa jest najbardziej przydatna ze względu na swoją prostą konstrukcję w zastosowaniach wymagających najmniejszej powierzchni płytki drukowanej (PCB) i najniższego prądu spoczynkowego układu. Ten typ ładowarki może również osiągnąć wysoką dokładność regulacji przy niskich prądach ładowania i nie ma pętli z sygnałami wysokiej częstotliwości, co minimalizuje problemy związane z zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Główną wadą związaną z tym urządzeniem jest niska sprawność, która jest zależna od stosunku napięcia wejściowego i napięcia na baterii. Z tego powodu użycie urządzenia jest zazwyczaj ograniczone do aplikacji wymagających mniej niż 1 A prądu ładowania, takich jak przenośne trackery fitness (opaski fitness) lub bezprzewodowe słuchawki douszne.

Opisana w dalszej części ładowarka bezpośrednia jest pewnym rozwinięciem tej architektury – zwiększa ona wydajność systemu przy tej samej architekturze, utrzymując napięcie VIN bardzo blisko napięcia VBAT.

Na rysunku 1b pokazano przykładowe PCB dla ładowarki liniowej – projekt systemu na płytce ewaluacyjnej kontrolera ładowarki BQ25150.



Przegląd ładowarek dla akumulatorów z pojedynczym ogniwem

Ładowarka z przetwornicą typu buck

Jak pokazano na rysunku 2a - typowa ładowarka impulsowa typu buck składa się z czterech przełączników: tranzystora polowego (FET) używanego do zapobiegania rozładowaniu się akumulatora na wejście napięciowe, dwóch tranzystorów FET stosowanych jako przetwornica prądu stałego (DC-DC) i tranzystora FET akumulatora, który używany jest do zarządzania ścieżką mocy ładowania. W tej architekturze system jest zasilany z wyjścia konwertera buck (gdy na wejściu jest obecne napięcie zasilające) lub z baterii (gdy wejście nie jest zasilane lub występuje przeciążenie).



Ładowarki z przetwornicami typu buck odpowiadają na ograniczenie sprawności ładowarek liniowych. Zazwyczaj urządzenia te mogą utrzymywać sprawność rzędu 91% w optymalnym punkcie swojego działania, który można skalować poprzez zmianę w obszarze zastosowanych kluczy i innych elementów. Większy obszar zajmowany na PCB przez ten układ, przekłada się na wyższą wydajność przy wyższych prądach ładowania. Wszechstronność tej konstrukcji sprawia, że ładowarka typu buck są popularnym rozwiązaniem, gdy prądy ładowania przekraczają około 1 A. Zastosowania obejmują kontrolery gier, urządzenia przenośne i przenośne rozwiązania zasilające. Przetwornica Buck wykorzystuje przełączanie wysokiej częstotliwości, aby uzyskać konwersję napięcia, co również generuje szumy i tętnienia – potencjalne problemy EMI. Rysunek 2b przedstawia przykładowy projekt płytki drukowanej dla modułu ewaluacyjnego, z ładowarką typu buck, opartą o scalony kontroler BQ25898.

Trzypoziomowa ładowarka z przetwornicą buck

Po dodaniu „latającego” kondensatora, CFLY, trójpoziomowa przetwornica typu buck pokazana na rysunku 3a, w porównaniu z ładowarką buck na rysunku 2, ułatwia przełączanie tranzystora FET – duża część parametrów redukuje się o połowę. Dodatkowo, taki układ podwaja efektywną częstotliwość przełączania, a dzięki temu indukcyjność w systemie ma jedną czwartą szczytowego prądu tętnienia. Korzyści te przekładają się zarówno na wyższą wydajność, jak i większą gęstość mocy w układzie, które zazwyczaj są ze sobą sprzeczne w konstrukcji przetwornicy typu buck. Przełączany element typowego konwertera buck zmienia się z napięcia VBUS do GND przez cały czas. W architekturze trójpoziomowej, zakładając, że CFLY pozostaje zrównoważona na poziomie VBUS/2, węzeł przełączający zmienia się z VBUS na VBUS/2 lub z VBUS/2 na GND, w zależności od współczynnika konwersji. Powoduje to mniejsze zapotrzebowanie na indukcyjność (można zastosować mniejszą cewkę), co z kolei oznacza wyższą wydajność i mniejsze pole powierzchni systemu na PCB.



Trzypoziomowa ładowarka z przetwornicą typu buck może osiągnąć wyższą sprawność – nawet do 95% - przy jednocześnie mniejszym polu powierzchni, zajmowanym na płytce drukowanej, w porównaniu do zwykłej ładowarki o topologii buck. Wyższa sprawność przekłada się na lepsze parametry termiczne, dzięki czemu tego rodzaju konstrukcja jest kuszącą alternatywą dla układów o wyższym prądzie ładowania, w zakresie od 2,5 A do 4,5 A, przez co często stosuje się je w nowoczesnych smartfonach. Na rysunku 3b pokazano typowy projekt (płytka ewaluacyjna dla BQ25910) tego rodzaju systemu na PCB.

Ładowarka bezpośrednia

Omawiane do tej pory ładowarki obejmują układy do regulacji prądu ładowania lub regulacji napięcia ładowania. Ładowarka bezpośrednia odciąża regulację do zewnętrznego zasilacza i wykorzystuje metodę bezpośredniego podłączenia wejścia do wyjścia ładowarki. Ta metoda może osiągnąć skuteczność wyższą niż 96%, dzięki zwarciu FETa pomiędzy VBUS a VBAT. Dlatego rozwiązania wykorzystujące architekturę ładowarki bezpośredniej nadają się do stosowania przy bardzo wysokich prądach ładowania od 4 A do 8 A. Kompromis tego rozwiązania leży w konieczności podłączania do systemu zasilacza o wysokiej dokładności stabilizacji napięcia, z dedykowanym układem do ciągłego monitorowania wartości napięcia baterii i komunikowania się z zasilaczem do realizacji wymaganej regulacji.



Dwa popularne obecnie typy ładowarek bezpośrednich to ładowarka typu flash (rysunek 4a) i ładowarka z przełączanym kondensatorem (SC) 2:1 (rysunek 4c). Ładowarka flash wykorzystuje dwa zwarte tranzystory FET między VBUS i VBAT, aby umożliwić ładowanie ogniwa. Powoduje to najmniejsze straty w systemie i upraszcza również topologię układu ładowarki bezpośredniej. Wadą jest to, że prąd akumulatora jest równy prądowi wejściowemu, co wymaga drogich połączeń o wysokim maksymalnym dopuszczalnym prądzie. Alternatywnie, ładowarka SC 2:1 może osiągnąć bardzo wysoką wydajność przy jednoczesnym zmniejszeniu zapotrzebowania na prąd wejściowy. Ładowarka SC to niestabilizowana przetwornica impulsowa, która po prostu podwaja prąd i zmniejsza o połowę napięcie wejściowe. Dlatego to rozwiązanie wymaga inteligentnego zasilacza, który może być stabilizowany do dwukrotności napięcia ładowania akumulatora. Ponieważ IBAT to podwojony IBUS, architektura ta osiąga najwyższy prąd ładowania, wynoszący nawet do 8 A. Rysunki 4b i 4d pokazują przykłady rozmiarów obwodów drukowanych zarówno dla ładowarki typu flash, jak i dla SC: 2:1.

Porównanie wydajności topologii ładowarki bezpośredniej i z przetwornicą typu buck

Na rysunku 5 zaprezentowano wykresy sprawności poszczególnych, dotychczas opisanych układów ładowarek w funkcji prądu ładowania.



Oto cechy wyróżniające każdą z przedstawionych dotychczas topologii:
* Ładowarka typu flash zapewnia najwyższą wydajność, ale wymaga drogiego zewnętrznego zasilacza z dobrej jakości kablami.
* Ładowarka SC 2:1 oferuje wysoką wydajność i zmniejsza wymagania dotyczące kosztów zasilacza wejściowego, ale nadal wymaga jego komunikacji z ładowarką do regulacji napięcia VBUS = 2 × VBAT.
* Trójpoziomowa ładowarka z przetwornicą typu buck zapewnia znacznie wyższą wydajność niż zwykła ładowarka buck, oferując jednocześnie mniejszy rozmiar na PCB. To rozwiązanie jest kompatybilne ze standardowymi źródłami, takimi jak USB 5-V lub adapterami wyższego napięcia.
* Konwerter buck jest prosty i wszechstronny; jego wydajność może być skalowana wraz z kosztem i obszarem obwodu; jest także kompatybilny ze standardowymi zasilaczami napięcia 5 V lub wyższego.

Dla przetwornicy typu buck i trzypoziomowej ładowarki z tego rodzaju układem sprawność konwertera jest mierzone przy zasilaniu na wejściu równym 9 V.

Przegląd ładowarek podwójnych

Podwójne ładowarki są stosowane w smartfonach od około 2015 roku w celu osiągnięcia wyższego prądu ładowania. Ich budowa polega na równoległym umieszczeniu dwóch ładowarek. Główna ładowarka zapewnia prąd ładowania i obsługuje zasilanie dla systemu. Równoległa ładowarka zapewnia dodatkowy prąd ładowania o wysokiej wydajności. Podwójne ładowanie jest możliwe we wszystkich topologiach impulsowych ładowarek omówionych do tej pory w tym artykule.

Przegląd ładowarek impulsowych dla akumulatorów z wieloma ogniwami połączonymi szeregowo

Ładowarka z przetwornicą typu boost

Ładowarka typu boost działa tak, jak konwerter buck „na biegu wstecznym”, generując tym samym napięcie wyjściowe dla systemu, które jest wyższe niż napięcie wejściowe. Umożliwia to zasilanie obciążeń wymagających wysokiego napięcia lub wysokich prądów szczytowych w celu prawidłowego działania, takich jak silniki, drukarki lub głośniki. Typowa ładowarka wykorzystująca tego rodzaju przetwornicę impulsową, dostępna na rynku może ładować dwukomorową baterię litowo-jonową ze standardowego źródła USB o napięciu 5 V. Równoważenie tych ogniw jest zalecane, aby zapewnić maksymalną pojemność i żywotność zestawu akumulatorów, gdy szeregowo używa się więcej niż dwóch akumulatorów. Niektóre ładowarki mogą zawierać funkcję równoważenia komórek. Rysunek 6 przedstawia typową architekturę i przykładowy projekt PCB dla ładowarki akumulatora z dwoma ogniwami.





Kontroler ładowania z przetwornicą buck-boost

Sterownik ładowania z przetwornicą typu buck-boost, steruje czterema zewnętrznymi kluczami FET, aby naładować baterię z wejścia, które jest poniżej lub powyżej wymaganego napięcia ładowania. Ten kontroler ma płynne przejście między trybami buck, buck-boost oraz boost, dzięki czemu jest to naprawdę uniwersalna ładowarka do akumulatorów złożonych z od jednego do czterech ogniw. Zakres napięcia wejściowego jest zgodny z systemem USB PD, przyjmując napięcie od 3,5 V do 24 V. Ten szeroki zakres napięć roboczych zwiększa elastyczność systemu, czyniąc to rozwiązanie atrakcyjnym dla np. odkurzaczy, robotów, dronów i komputerów przenośnych. Rysunek 7 przedstawia typową architekturę i przykładowy rozmiar obwodu na PCB dla ładowarki z przetwornicą typu buck-boost.

Porównanie sprawności topologii typu boost i buck-boost pokazane jest na rysunku 8. Wykres ten przedstawia krzywe sprawności ładowania w funkcji prądu ładowania dla ładowarki boost oraz buck-boost, gdy skonfigurowano je do ładowania baterii dwukomorowej z źródła zasilania 5 V.



Oto cechy wyróżniające każdą z topologii:

* Kontroler ładowania z przetwornicą typu buck-boost zapewnia wysoką wydajność ładowania przy wysokim prądzie ładowania, ale wymaga większego rozmiaru na PCB dla układu z zewnętrznymi tranzystorami FET.
* Ładowarka typu boost obsługuje do 15 W mocy wejściowej, aby naładować baterię z dwoma ogniwami i integruje w sobie wszystkie potrzebne klucze FET, zmniejszając rozmiar całego rozwiązania i upraszczając projektowanie obwodów.

Podsumowanie

Topologie ładowarek ewoluowały w ostatnich czasach, aby sprostać nowym wyzwaniom związanym z różnymi aplikacjami zasilanymi bateryjnie. Podczas gdy bardzo niski prąd spoczynkowy może być krytyczny dla opasek fitness, zdolność do obsługi konfiguracji wieloogniwowych może być krytyczna w projektach dronów. Tabela 1 podsumowuje różne architektury ładowarek wraz z ich kluczowymi parametrami.



Źródło: http://www.ti.com/lit/an/slyt769/slyt769.pdf