LTC4162 – uniwersalna ładowarka


Pierwszym krokiem przy projektowaniu ładowarki akumulatorowej jest wybór układu scalonego z ogromnej puli dostępnych rozwiązań. Żeby wybór ten był w pełni świadomy, zespół projektowy musi jasno określić parametry baterii (związek chemiczny, liczbę celi, itd.) oraz parametry wejścia (ogniwa słoneczne, USB, itd.). Następnie musi znaleźć układy ładowania, które spełniają wymogi wejścia i wyjścia, i porównując ze sobą ich dokumentacje ustalić co będzie najodpowiedniejszym wyborem. Proces selekcji pozwoli zespołowi wybrać najlepsze rozwiązanie do danego zastosowania, chyba że zmienią się parametry projektu, a wówczas… wracamy do przeglądania dokumentacji.

A co, gdyby ten etap można było całkowicie pominąć? Co, jeśli projektant mógłby skupić się wyłącznie na danym zastosowaniu, traktując układ scalony ładowarki jak czarną skrzynkę, którą zastąpi rzeczywistym układem, kiedy ostatecznie nadejdzie czas rozpoczęcia produkcji? Kiedy to nastąpi, projektant po prostu sięgnie na półkę po generyczny układ scalony ładowarki, niezależnie od najważniejszych parametrów projektu. Nawet jeśli te parametry się zmienią (wymienione źródło prądu ładowania, zmieniony rodzaj baterii, itd.), układ scalony wciąż będzie je spełniał. Bez ponownego szperania w dokumentacjach.

Problem ten można zilustrować, biorąc dwa bardzo różniące się od siebie zadania:

  • Zespół projektowy A ma za zadanie zaprojektować ładowarkę, która pobierając prąd z panelu słonecznego ładuje akumulator kwasowo-ołowiowy. Ładowarka musi działać samodzielnie, bez wykorzystania mikrokontrolera, ale musi być wystarczająco elastyczna, żeby obsłużyć kilka różnych modeli paneli słonecznych. Zespół ma tydzień na stworzenie schematu elektrycznego.
  • Zespół B ma bardziej pogmatwany problem. Ich projekt pobiera napięcie 5V z wejścia USB i ładuje jednocelową baterię litowo-jonową prądem 1,3 A do napięcia 4,1 V. Powyżej 47 °C chcą zmniejszyć napięcie do 4 V przy prądzie 0,5 A, a powyżej 72 °C całkowicie je zatrzymać. Mikrokontroler, którego używają, musi znać napięcie i prąd ładowania, temperaturę i stan baterii. Również mają jeden tydzień żeby przedstawić schemat projektu.

Okazuje się, że oba projekty mogą skorzystać z tego samego układu scalonego i że jest on zdecydowanie najlepszym wyborem do obu zastosowań.

Rys. 1. Która ładowarka będzie pasować? Oto dwa zupełnie różne systemy ładowania akumulatorów. Czy mogą skorzystać z tego samego układu scalonego?

Dużo dobra w małym opakowaniu

Monolityczny układ ładowania buck-boost LTC4162 na napięcie do 35 V i prąd do 3,2 A jest elegancką mieszanką prostoty i różnorodności. Zdolny do pracy samodzielnej albo współpracy z mikrokontrolerem, układ LTC4162 umożliwia zarówno projekty bardzo proste, jak i skomplikowane. Pełnowartościowy system telemetrii dostępny za pomocą interfejsu I2C pozwala użytkownikowi na monitorowanie baterii i implementację niestandardowego trybu ładowania, specyficznego dla danego modelu. Algorytm śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT – ang. maximum power point tracking) pozwala ładowarce działać w sposób optymalny przy dowolnym źródle o wysokiej impedancji, takim jak panel słoneczny. Algorytm ładowania jest dostosowany do wybranego składu chemicznego akumulatora: litowo-jonowego, litowo-żelowo-fosforanowego lub kwasowo-ołowiowego.

Wszystkie te funkcje mieszczą się w opakowaniu QFN o wymiarach 4 mm x 5 mm, które wraz otaczającymi elementami zajmuje typowo powierzchnię około 1 cm x 2 cm.

Poczuj tę moc!

Niech mały rozmiar Cię nie zwiedzie. Pomimo zastosowania polowych tranzystorów przełączających, LTC4162 może ładować baterię z mocą nawet 60 W. Dzięki wewnętrznemu monitorowaniu temperatury układ reguluje prąd ładowania tak, aby nigdy się nie przegrzał, nawet w najgorętszym środowisku i najciaśniejszej obudowie.
Tranzystory polowe PowerPath (INFET i BATFET) zapewniają, że obciążenie systemu (VOUT) zawsze pochodzi z wejścia (VIN), jeśli tylko jest dostępne, albo z akumulatora, jeśli napięcia ładowania nie ma. Użycie zewnętrznego tranzystora polowego typu n umożliwia utworzenie bezstratnych ścieżek przepływu prądu, bez limitu prądu dostarczanego do obciążenia.

Rys. 2. Schemat aplikacyjny dla LTC4162 – biorąc pod uwagę, że to pełnowartościowa ładowarka baterii – jest bardzo prosty

Telemetria i kontrola

Pomimo, że LTC4162 może działać bez sterującego nim mikrokontrolera, wiele aspektów ładowania można monitorować i kontrolować za pośrednictwem portu I2C. Wbudowany system telemetrii odczytuje na bieżąco napięcie i prąd zarówno obciążenia, jak i baterii. Można ustawić limity tych wartości, które wyzwolą powiadomienia dla mikrokontrolera, kiedy zostanie osiągnięta zadana wartość albo ładowanie wejdzie w odpowiedni stan. Na przykład, często spotykaną funkcją projektów elektronicznych jest przejście w stan obniżonego poboru energii, kiedy napięcie baterii spadnie poniżej ustalonego limitu. Zamiast wykorzystywać mikrokontroler do okresowego mierzenia tego napięcia, można zaprogramować układ LTC4162 do jego monitorowania i informowania o osiągnięciu limitu. Wówczas mikrokontroler może wyłączyć obciążenie i przejść w stan obniżonego poboru energii.


Rys. 3. Zintegrowany system telemetrii układu LTC4162 spełni wszystkie oczekiwania pomiarowo-alarmowe

System telemetrii jest również w stanie mierzyć rezystancję szeregową baterii (BSR – ang. Battery Series Resistance), która jest dobrym wskaźnikiem jej zużycia. Pomiar ten może być wykonywany automatycznie, przy czym w przypadku przekroczenia zadanej wartości granicznej generowane jest powiadomienie dla mikrokontrolera. Ta informacja może posłużyć do zasygnalizowania użytkownikowi konieczności wymiany baterii.

Kiedy odłączone zostaje zasilanie zewnętrzne i obciążenie pobiera prąd z baterii, układ LTC4162 automatycznie wyłącza system telemetrii, żeby nie zużywać energii. Jeśli jednak pomiary są potrzebne, można je włączyć za pomocą komendy interfejsu I2C. Będą wówczas jednak wykonywane w trybie obniżonego poboru energii, w 5-sekundowych odstępach. Na żądanie okres pomiarów może zostać w każdej chwili zmniejszony do 11 ms.

Robi się gorąco

Układ LTC4162 umożliwia konfigurację ładowania w zależności od temperatury. Dla akumulatorów opartych na licie (litowo-jonowych i litowo-żelowo-fosforanowych), LTC4162 może uruchomić ładowanie pod kontrolą JEITA. Pozwala ono ustawić dowolne zakresy temperatury, w których ustawione zostaną zadane wartości napięcia i prądu ładowania. Pozwala to także projektantowi zdecydować, przy jakiej najniższej i najwyższej temperaturze trzeba zatrzymać ładowanie. Domyślne ustawienia JEITA działają dla wielu baterii bez potrzeby interwencji ze strony kontrolera, ale dzięki niemu możliwa jest praca LTC4162 z baterią o dowolnym profilu wymagań cieplnych.


Rys. 4. Domyślne profile JEITA dla akumulatorów litowo-jonowych

Podobnie, dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych, algorytm kompensacji ciepła obniża napięcie docelowe w każdej fazie ładowania, w miarę wzrostu temperatury. Napięcia te mogą zostać zmienione za pomocą komend I2C, a nachylenie krzywej kompensacji może zostać dostosowane poprzez użycie odpowiedniego termistora.

MPPT i regulacja wejścia

Aby uprościć projekt, wiele układów sterujących panelami słonecznymi ustawia stałą wartość punktu maksymalnej mocy. W rzeczywistości, VMPPT przesuwa się wraz z nasłonecznieniem a częściowo przesłonięty panel może mieć kilka punktów mocy. Przeczesując cały zasięg napięcia podłączonego panelu, zaawansowany algorytm śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT) układu LTC4162 uwzględnia wszelkie zmienne, zawsze ustalając najlepszą wartość. Poza sporadycznym przeszukiwaniem zakresu napięć panelu, LTC4162 w sposób ciągły dostosowuje napięcie wejściowe, poszukując najmniejszych zmian wartości VMPPT. Te właściwości nie wymagają żadnego programowania, więc panele mogą być zmieniane bez modyfikacji w ładowarce.
Korzyści płynące z regulacji napięcia wejściowego wykraczają poza obszar paneli słonecznych. Na przykład wiele kabli USB ma znaczącą impedancję szeregową, co powoduje spadki napięcia przy poborze prądu. Limitowanie prądu przy zbyt niskich napięciach pozwala układowi LTC4162 tak wyregulować jego wartość, aby utrzymać jak najniższe napięcie na wejściu.

Rys. 5. Domyślny profil temperaturowy 12-woltowego akumulatora kwasowo-ołowiowego

Rys. 6. Pełnozakresowy test panelu słonecznego

Dostarczanie mocy przez USB

Układ LTC4162 jest również kompatybilny ze specyfikacją USB Power Delivery, która dopuszcza przekazywanie do 100 W mocy za pomocą kabla USB typu C. Prąd wejściowy LTC4162 można tak skonfigurować, żeby nie dopuścić do przeciążenia zasilacza. Jeśli osiągnięty zostanie limit prądu wejściowego, obciążenie wciąż może pobierać tyle prądu ile potrzebuje, ale odpowiednio zmniejszony zostanie prąd ładowania baterii. Oznacza to także, że ten sam układ LTC4162 może korzystać z różnych zasilaczy.

Tryb dostawy z niskim poborem mocy

Jeśli produkt wymaga przesyłki lub składowania przez dłuższy czas, układ LTC4162 można za pomocą komendy I2C wprowadzić w stan obniżonego poboru mocy, zmniejszając prąd pobierany z baterii do około 3,5 μA. Opcjonalnie, układ można skonfigurować tak, aby całkowicie odcinał w tym czasie obciążenie systemu.

Warianty układów scalonych

Dla uproszczenia projektu i dokumentacji, rodzinę układów LTC4162 podzielono ze względu na chemiczny skład baterii, parametry ładowania oraz domyślnie włączony algorytm MPPT. Tabela 1 ukazuje wszystkie dostępne warianty układu.

Tabela 1. 18 wariantów układów scalonych pozwala dobrać element pasujący do każdego zastosowania

IC Part Number

Battery

MPPT Disabled by Default

MPPT Enabled by Default

Chemistry

Cell Voltage

LTC4162EUFD-LAD

LTC4162EUFD-L40

LTC4162EUFD-L41

LTC4162EUFD-L42

LTC4162EUFD-LADM

LTC4162EUFD-L40M

LTC4162EUFD-L41M

LTC4162EUFD-L42M

Li-ion

I2C adjustable

4.1 V fixed

4.2 V fixed

4.3 V fixed

LTC4162EUFD-FAD

LTC4162EUFD-FST

LTC4162EUFD-FFS

LTC4162EUFD-FADM

LTC4162EUFD-FSTM

LTC4162EUFD-FFSM

LiFePO4

I2C adjustable

3.6 V fixed

3.8 V rapid charge

LTC4162EUFD-SAD

LTC4162EUFD-SST

LTC4162EUFD-SADM

LTC4162EUFD-SSTM

Lead-acid

I2C adjustable fixed

Każdy wariant jest kompatybilny pinowo z innymi i może być dowolnie zamieniany w fazie prototypowania. Warianty układów LTC4162 są wymienne, aby ułatwić tworzenie produktów, w których ten sam układ elektroniczny będzie obsługiwał baterie o różnym składzie, napięciach zasilania lub źródłach prądu.
Dla uproszczenia dokumentacji, karty produktów LTC4162 zostały podzielone ze względu na skład chemiczny baterii – oddzielna dokumentacja opisuje wersje dla baterii litowo-jonowych, litowo-żelowo-fosforanowych i kwasowo-ołowiowych.

Podsumowanie

Zanim zespół projektowy spędzi długie dni na czytaniu dokumentacji różnych układów ładowania baterii, monitorowania mocy i regulacji paneli słonecznych, zanim poświęci wiele godzin pisząc algorytm ładowania uwzględniający wahania temperatury i zaprogramuje cykliczne pomiary wartości granicznych systemu, może rozważy sięgnięcie po ładowarkę uniwersalną. Z dużym prawdopodobieństwem układ LTC4162 najlepiej będzie się nadawał do ich zadania.

Kontakt z ekspertami z Analog Devices możliwy jest poprzez społeczność online, gdzie można zadawać najtrudniejsze pytania projektowe, przeglądać dział FAQ oraz nawiązywać konwersacje.

O autorze

Zachary Pantely jest inżynierem aplikacyjnym grupy Power by Linear firmy Analog Devices. Obecnie projektuje i obsługuje płytki demonstracyjne, pokazujące właściwości różnych ładowarek do baterii, superkondensatorów, uniwersalnych regulatorów napięcia i urządzeń do tzw. energy harvesting. Poza pracą ze sprzętem, Zack angażuje się także w rozwój oprogramowania oraz interfejsów użytkownika, umożliwiających prezentację najważniejszych cech tych produktów za pomocą interfejsów cyfrowych. Ukończył uniwersytet Massachusetts w Lowell w 2015 na dwóch kierunkach: elektrotechnice i technologii obróbki dźwięku