У міру поширення «зелених» технологій все більша увага стала приділятися ККД джерел живлення. Мікросхеми управління джерелами живлення дозволяють знизити загальну вартість системи, втрати на комутацію, розміри пристрою і перешкоди. У статті розглядається реалізація технології регулювання в первинному ланцюзі дроселя в схемах зарядного пристрою і світлодіодного драйвера. Вихідний струм і напруга стабілізуються за допомогою опорного сигналу напруги з додатковою обмотки дроселя.
У статті розглянуті деякі особливості контролерів зарядки літієво-іонних (Li-Ion) акумуляторів, створених на базі лінійних та імпульсних стабілізаторів.
Одним з обов'язкових компонентів сучасних портативних пристроїв є мало в чому змінився за останні роки літієво-іонний акумулятор, що відрізняється найкращими показниками серед ряду інших хімічних джерел електроенергії, призначених для використання в портативних додатках. Безперечно, ємність його виросла, істотно поліпшені і інші характеристики, що дозволило розширити функціональні можливості портативних пристроїв, проте базовий принцип його роботи і алгоритм зарядки мало в чому змінилися [1-7].
В середньому для повної зарядки літій-іонного акумулятора ємністю 1 А · год при струмі зарядки 1 А потрібно одну годину. Часто використовувані сьогодні USB-адаптери не можуть забезпечити струм більше 500 мА, і тому час зарядки може розтягнутися до 2-4 або більше годин. Одна з проблем, що виникають при зарядці великим струмом, - тепловиділення. Оскільки вихідна напруга повсюдно використовуваних мережевих і USB-адаптерів становить 5 В, а робоча напруга акумулятора: 3,7 ... 4,2 В, то середнє значення ККД контролера зарядки, побудованого на базі лінійного регулятора, не може бути краще, ніж 74% ( 3,7 / 5,0), а максимальне - 84% (4,2 / 5,0). На малюнку 1 наведена зона можливих втрат потужності в контролері в процесі зарядки акумулятора. Таким чином, при зарядці акумулятора струмом 1 А максимальні втрати складуть приблизно 1,3 Вт. Необхідно відзначити, що це не те неминуче виділення тепла, пов'язане з накопиченням енергії в акумуляторі для подальшого її використання, а тепловиділення, викликане нагріванням кристала ІС контролера зарядки. Щоб зменшити небажаний нагрів кристала в процесі зарядки акумулятора, необхідно підвищувати ККД контролера, що досягається при використанні контролерів з імпульсним регулюванням. Крім того, їх застосування дозволяє потенційно прискорити тривалість зарядки.
Мал. 1. Розподіл втрат потужності в процесі зарядки акумулятора
У контролерах зарядки, створених на базі лінійних регуляторів з поділом шляхів протікання струмів навантаження і зарядки (PowerPath Technology), в разі невеликого струму навантаження напруга VOUT одно майже 5 В (VIN), а напруга на акумуляторі
VBAT = 3,7 В. При цьому лінійний регулятор контролера зарядки використовується неефективно. При великому струмі через навантаження до неї додатково підключається акумулятор і при VIN = 5 В, VOUT = VBAT = 3,7 В (див. Рис. 2). В цьому випадку неефективно використовується прохідний транзистор контролера зарядки. І в першому, і в другому випадках зберігається величина падіння напруги на елементах регулювання VIN - VOUT = 1,3 В або VOUT - VBAT = 1,3 В, що і призводить до небажаної втрати потужності. Особливість наведеної на малюнку 2 структурної схеми полягає в тому, що для підключення акумулятора до навантаження використовується пристрій, що виконує функції «ідеального» (далі - ідеального, прим. Ред.) Діода.
Мал. 2. Спрощена структурна схема пристрою зарядки з поділом шляхів протікання струмів навантаження і зарядки
Що ж мається на увазі під запропонованим фахівцями компанії Linear Technology терміном «ідеальний» діод? [3, 7]. Широко застосовуються діоди Шотткі відрізняються в порівнянні з іншими напівпровідниковими діодами малим прямим падінням напруги і високою швидкістю перемикання. При використанні цього діода в якості напівпровідникового ключа, наприклад, в схемах автоматичного підключення до навантаження акумулятора або мережного адаптера, як правило, застосовується проста схема монтажного АБО, основний недолік якої - порівняно велике падіння напруги на діоді. При підвищенні струму навантаження ростуть і втрати потужності на ньому. Вирішити цю проблему можна з використанням в якості діода МОП-транзистора. Ідея не нова, проте фахівці компанії Linear Technology при заміні діода на МОП-транзистор запропонували також спосіб визначення моменту перемикання ідеального діода в закрите і відкрите стану. Для цього здійснюється моніторинг падіння напруги між витоком (анодом) і стоком (катодом) транзистора. В даному випадку - це МОП-транзистор з каналом N-типу. У момент підключення вхідного напруги, звичайно, якщо вхідна напруга більше вихідного, струм через захисний діод транзистора тече в навантаження. Транзистор відкривається, і падіння напруги на ньому так само ILOAD ∙ RDS. де RDS - опір переходу стік-витік. Як правило, це напруга приблизно в десять разів нижче, ніж падіння напруги на діоді Шотткі. Якщо напруга на аноді нижче, ніж на катоді, транзистор закривається.
Для моніторингу падіння напруги на транзисторі використовується спеціальний підсилювач. Проблема полягає в тому, як вибрати значення напруги порога перемикання і величину гістерезису компаратора. Наприклад, якщо відкривати транзистор при падінні напруги 25 мВ, а закривати при 5 мВ, це може привести до того, що при малих токах навантаження ключ просто закриється. Установка порога на рівні -5 мВ приведе до того, що струм потече від навантаження до входу. Щоб виключити ці проблеми, падіння напруги між стоком і витоком відкритого транзистора підтримується за допомогою спеціального стежить підсилювача на рівні 25 мВ. При зростанні струму навантаження підвищується також і керуючу напругу на затворі транзистора, і відповідно, знижується опір відкритого каналу. Таким способом падіння напруги на транзисторі підтримується майже постійним на рівні 25 мВ.
На певному етапі при збільшенні струму падіння напруги на транзисторі починає рости пропорційно току (ILOAD ∙ RDSON). На малюнку 3 наведені вольт-амперні характеристики діода Шотткі (B530C) і ідеального діода [3, 7]. Запропонований метод управління МОН-транзистором дозволяє реалізувати плавне перемикання транзистора і навіть при невеликих токах навантаження отримати мінімальну різницю напруги між стоком і витоком.
Мал. 3. Вольт-амперні характеристики ідеального діода і діода Шотткі
У мікросхемі LTC4358 (Linear Tech-nology) матеріалізована ідея створення ідеального діода на базі вбудованого на кристал МОП-транзистора з каналом N-типу, що має опір (RDSON) відкритого каналу 0,02 Ом. Напруга живлення ІС становить 9,0 ... 26,5 В; максимальний струм: 5 А; час відключення транзистора при перевищенні струму обмеження - 0,5 мкс. Мікросхема LTC4358 призначена для заміни діодів в схемах перемикання джерел живлення, до яких підключається навантаження, побудованих на основі схеми монтажного АБО. Графіки залежності потужності, що розсіюється на ідеальному діоді (LTC4358) і на діоді Шотткі типу B530C показані на малюнку 4. Мікросхема LTC4358 виготовляється в корпусі 14-DFN і має розміри 4 × 3 мм.
Крім того, компанія Linear Technology пропонує і інші ІС, наприклад, LTC4352 / 55/57, LTC4411 / 13 / 16. Мікросхеми LTC4352 / 55/57 і LTC4416, по суті, є контролерами ідеального діода, і для цієї мети використовується зовнішній МОП транзистор, в мікросхемах LTC4411 / 13 - вбудований. Мініатюрна ІС LTC4411 призначена для автоматичного перемикання навантаження між мережним адаптером і акумулятором в схемах, побудованих на основі монтажного АБО. Напруга вхідного джерела 2,6 ... 5,5 В, струм споживання в статичному режимі не більше 40 мкА (при струмі навантаження до 100 мА). Максимальний опір відкритого каналу вбудованого МОП-транзистора з каналом P-типу становить 0,14 Ом, максимальний прямий струм - 2,6 А, струм витоку - менше 1 мкА. У мікросхемі передбачений захист від перегріву корпусу. Для підключення ІС LTC4411 не потрібні додаткові зовнішні компоненти. Мікросхема LTC4411 виготовляється в корпусі SOT-23-5.
У контролерах зарядки LTC4066, LTC4085, побудованих на основі лінійного регулятора, також реалізований ідеальний діод. Напруга живлення ІС 4,35 ... 5,50 В. Опір ідеального діода, використовуваного для підключення акумулятора до навантаження, при струмі 3 А становить всього 50 мОм. У контролерах передбачена можливість обмеження вхідного струму на рівні 100 або 500 мА. Мікросхеми LTC4066 виготовляються в корпусі 24-QFN (4 × 4 мм).
Схема безпосереднього підключення акумулятора до навантаження і контролера зарядки, створеному на основі лінійного регулятора, відрізняється простотою, а пристрої, виконані на базі цієї архітектури, - більш низькою вартістю. Однак при великих токах навантаження навряд чи можна рекомендувати використання цієї топології через велику ймовірність перегріву кристала ІС. При безпосередньому підключенні акумулятора до навантаження можна досягти мінімального зміни рівня напруги на навантаженні.
Проблема втрати потужності зберігається також і в контролерах зарядки, створених на основі безперервного регулювання, з поділом шляхів протікання струмів навантаж і зарядки. Більш високого ККД можна досягти за рахунок застосування імпульсного регулятора, що дозволяє створювати на його базі контролери з струмом зарядки акумулятора більше 10 А. Крім того, в цих контролерах часто використовується технологія поділу шляхів протікання струмів навантаження і зарядки, основною перевагою якої є висока надійність.
Більш повну інформацію про мікросхемах зарядки акумуляторів можна знайти в [2-6].