Журнал РАДІОЛОЦМАН, липень 2013

Sergei Strik, Viktor Strik, Texas Instruments

Частина 1.

2.3. Схема системного LDO стабілізатора

Другий шлях передачі потужності, фактично, являє собою LDO стабілізатор з точним обмежувачем струму. Вимоги до точності обмеження тут більш жорсткі, ніж в звичайних LDO, оскільки надмірний струм може вивести з ладу не тільки пристрої на зовнішній шині, а й мережевий адаптер.

Для підвищення точності обмежувача струму ми додали підсилювач помилки, керуючий силовим МОП транзистором системного LDO стабілізатора під час перевантаження (Малюнок 4). Зауважимо, що принцип роботи схеми, заснованої на двох підсилювачах помилки і N-канальному МОП транзисторі в якості силового елемента LDO стабілізатора, аналогічний запропонованому в даній схемі.

Найпростіша схема обмеження струму в LDO може бути створена шляхом дзеркального відображення струму потужного МОП транзистора з допомогою Струмовимірювальні транзистора. Для підтримки точного співвідношення між струмами потужних і вимірювальних МОП транзисторів їх напруги на стоках і витоки повинні бути однаковими. Однак в разі використання потужного N-канального МОП транзистора помилка в співвідношенні струмів буде більше, ніж з P-канальним приладом, що пояснюється квадратичною залежністю струму стоку від напруги затвор-витік.

Щоб звести до мінімуму розкид струмів втік-витік між потужним МОП транзистором MP і струмові МОП транзистором MS, ми додали підсилювач струму для вирівнювання напружень на витоках. Основний вплив на точність обмежувача струму надає розкид характеристик MP і MS. Помилку можна зменшити підстроюванням струму датчика. Транзистор Mtrim управляє струмом транзистора M1. Цей струм направляється в підключений до землі резистор R1. Падіння на ньому напруга пропорційно току, що протікає через системний LDO, і є сигналом зворотного зв'язку для підсилювача обмежувача струму. Цей підсилювач керує потужним MOSFET коли споживаний системою струм перевищує встановлений рівень обмеження.

2.4. Схема адаптивного перерозподілу струму

В зарядний пристрій необхідно захищати не тільки акумулятор, а й мережевий адаптер, оскільки структура з паралельними потоками потужності легко може перевантажити адаптер. Загальний струм, що забирається з адаптера, дорівнює сумі струму заряду батареї і струму системного навантаження:

IIN = ISYS + ICHG.

ICHG обмежують вибором відповідного струму заряду. ISYS можна контролювати обмежувачем струму системного LDO. Споживання струму зовнішньою системою змінюється у відносно широкому діапазоні і для зарядного пристрою непередбачувано. В такому випадку є можливість обмежити струм заряду батареї на максимальному рівні, а системний ток на рівні IIN - ICHG, але це буде перешкоджати нормальній роботі зовнішньої системи.

Для збільшення ефективності заряду акумулятора ми реалізували схему адаптивного перерозподілу струму. Вона дозволяє при збільшенні навантаження плавно знижувати заряджаючий батарею ток, захищаючи мережевий адаптер від перевантаження. Схема на рисунку 5 демонструє робили цього рішення.

Струм, що протікає через схему заряду і потужні MOSFET Mp_vdd і Mp_batt системного LDO, дзеркально відображається за допомогою струмовимірювальних транзисторів Ms_vdd і Ms_batt, відповідно. Резисторами R0 і R1 вимірювальні струми трансформуються в напруги зворотного зв'язку підсилювача обмежувача струму системного LDO і підсилювача помилки стабілізатора струму схеми заряду. Ці два операційних підсилювача керують потужними МОП транзисторами відповідно до подаються на них напругою зворотного зв'язку. Опорні напруги формуються блоком VREF і можуть вибиратися користувачем. Опорна напруга для схеми адаптивного перерозподілу струму являє собою різницю між опорним напругою підсилювача обмежувача струму і опорною напругою підсилювача управління режимом постійного струму:

VREF_curlim - VREF_ibatt.

Вихідна напруга підсилювача схеми адаптивного перерозподілу струму залишається високим доти, поки напруга зворотного зв'язку підсилювача обмежувача струму, пропорційне току навантаження системи, перевищує опорну напругу підсилювача схеми перерозподілу струму VREF_share. Потім підсилювач починає регулювати струм транзисторів M1 і M2. Струм транзистора M2 протікає через резистор R1, збільшуючи напругу зворотного зв'язку підсилювача управління режимом постійного струму, який в свою чергу, плавно знижує струм заряду батареї.

2.5. Схема вимірювання зарядного і розрядного струму

У більшості представлених на ринку смартфонів для контролю стану батареї використовується лічильник заряду акумулятора. Ця функція вимагає точного вимірювання струмів заряду і розряду. Запропонована архітектура дозволяє виконувати такі вимірювання з достатньою точністю, причому двома способами. Для першого способу потрібно датчик струму, в якості якого використовується зовнішній резистор, а другий спосіб заснований на використанні перемикача потоків потужності.

На рисунку 6а зображена спрощена блок-схема ланцюга вимірювання струму заряду / розряду, яка використовує зовнішній резистор. Зовнішній резистор краще внутрішнього через кращу температурної стабільності. Основна ідея цього методу полягає у вимірюванні невеликої частини струму, що відводиться в резистор R0 від струму, поточного через зовнішній резистор. Для вимірювань використовується МДМ підсилювач, зміщення якого дуже незначно, і внесок в сумарну похибку мінімальний. На резисторі R1 падає напруга, пропорційне току заряду / розряду. Недоліком цього способу є використання додаткового зовнішнього елемента, що займає площу на друкованій платі і збільшує загальну вартість системи.

Вимірювання струму заряду / розряду:

а) з використанням зовнішнього резисторного датчика;
б) з використанням комутатора потоків потужності.

Для розширення функціональних можливостей схеми ми додали вузол, що вимірює струм, який проходить через перемикач потоків потужності. Його спрощена блок-схема зображена на рисунку 6б. Принцип роботи цієї схеми такий же, як і схеми з зовнішнім резистором. Відмінність полягає в елементах компенсації. В даному випадку невеликий струм відбирається P-канальним МОП транзистором, вольтамперная характеристика якого подібна характеристиці перемикача потоків. Однак через малу опору каналу потужного транзистора паразитное опір, обумовлене металевими контактами, що з'єднують стік і джерело з висновками корпусу, збільшує реальний опір в порівнянні із значенням, використаним при моделюванні. Ця паразитная складова загального опору компенсується металевим резистором R0, без якого вона помітно впливала б на точність вимірювання зарядного і розрядного струму.

3. Результати вимірювань

На основі 18-мкм КМОП процесу було виготовлено лінійне зарядний пристрій з паралельними потоками потужності, що містить транзистори з робочими напругами 5 В і 28 В. Активна площа кристала становить 1.4 мм 2 (Малюнок 7). Використовуваний в якості Mpp1 28-вольта N-канальний МОП транзистор займає площу 0.25 мм 2 і має виміряний опір відкритого каналу 360 мОм. Аналогічний транзистор, що виконує функції Mpp2, має виміряний опір відкритого каналу 460 мОм. Перемикальний потоки потужності 5-вольта P-канальний МОП транзистор з виміряним опором 61 мОм займає на кристалі 0.3 мм2.

На рисунку 8 представлені експериментальні результати, з яких видно, що після підстроювання при кімнатній температурі в діапазоні струмів від 50 до 1200 мА точність підтримки струму заряду становить ± 2%, а обмежувача струму LDO - +10% / - 1%. Зразки були налаштовані при струмі 750 мА. При цьому точність склала ± 2% в діапазоні температур від -40 ° C до 125 ° C.

Схема адаптивного перерозподілу перевірялася при різних рівнях обмеження струму системного LDO і різних токах заряду батареї. На рисунку 9 показані залежності вхідних і зарядних струмів від струму зовнішнього навантаження при рівнях обмеження струмів 1200 мА для LDO і 1150 мА для схеми заряду батареї. Як видно з графіків, зі збільшенням струму навантаження струм заряду падає таким чином, що вхідний струм не перевищує дозволеного рівня. Точність підтримки вхідного струму під час перерозподілу потоків потужності становить ± 2.5% в температурному діапазоні від -40 ° C до 125 ° C.

У схемі вимірювання струму використовується компенсуючий металевий резистор, утворений опорами контактів і зовнішніх столбикових висновків. Представлені на рисунку 10б результати моделювання показують, що компенсація вносить значну помилку в вимірювання струму, в порівнянні зі схемою на рисунку 10а, де компенсуючий резистор відсутній. Однак реальні вимірювання демонструють високу точність (Малюнок 11), і, таким чином, можна зробити висновок, що оцінка необхідної величини компенсуючого елемента була зроблена правильно. Точність вимірювання струму розряду батареї склала + 6 / -3%. Зведення основних параметрів схеми запропонованої архітектури представлена ​​в Таблиці 1.

Вимірювання струму розряду батареї через комутатор
потоків потужності:

а) без компенсуючого металевого резистора;
б) з компенсуючим металевим резистором.

Таблиця 1.Зведення основних параметрів схеми запропонованої архітектури.

позначення

параметр

значення

VIN

Діапазон вхідних напруг

4.4 ... 28 В

VTERM

Напруга припинення заряду

4.1 ... 4.0 В

ΔVTERM

Точність установки напруги припинення заряду

± 0.35%

ICHG

Струм заряду батареї

50 ... 1200 мА

ΔICHG

Точність установки струму заряду батареї

± 2%

ISYS

струм системи

50 ... 1200 мА

ΔISYS

Точність установки струму системи

+10% / - 1%

ΔISHARE

Точність схеми адаптивного перерозподілу струму

± 2.5%

ΔIDISCHG

Точність вимірювання струму розряду батареї

+6% / - 3%

S

Площа

1.4 мм2

4. Висновок

Метою представленої роботи було створення зарядного пристрою для Li-ion акумуляторів, що займає на кристалі кремнію меншу площу, ніж традиційні схеми при тій же потужності, що розсіюється. Крім цього, ставилося завдання підвищення ефективності заряду і розряду батареї. Для реалізації цих цілей ми використовували різні підходи до проектування. Скорочення площі кристала було досягнуто введенням структури з паралельними потоками потужності, заснованої на N-канальних МОН транзисторах. Комутатор потоків потужності і схема адаптивного перерозподілу струму підвищують ефективність процесів заряду і розряду батареї. Крім того, запропонована схема вимірювання струму заряду / розряду, що характеризується відносно високою точністю, дозволяє використовувати цю схему в комбінації з зовнішніми системами вимірювання рівня заряду. Подібна комбінація може поліпшити управління батареєю портативного пристрою.

посилання

1. Jia-na Lou; Xiao-bo Wu; Meng-lian Zhao; «Switch-mode multi-power-supply Li-ion battery charger with power-path management," Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT) 2010 10th IEEE International Conference on, vol., No., Pp.527-529 , 1-4 Nov. 2010
2. Texas Instruments, 2009 1.5A USB-Friendly Li-Ion battery charger and Power-Path Management IC, datasheet
3. Analog Devices 2012, Tiny I2C Programmable Linear Battery Charger with Power Path and USB Mode Compatibility, datasheet
4. KK Vijeh, «Current, voltage and temperature govern Li-Ion battery charging», Planet Analog, June 2010
5. EE Potanina, VY Potanin, «Li-Ion Battery Charger with Three-Parameter Regulation Loop», Power Electronics Specialists Conference 2005. PESC '05. IEEE 36th, June 2005
6. BDValle, CTWentz and R.Sarpeshkar, «An Area and Power-Efficient Analog Li-Ion Battery Charger Circuit," IEEE Trans.Biomedical Circuits and Systems, vol. 5, no. 2, Apr. 2011
7. CCTsai, CYLin, YSHwang, WTLee and TYLee, «A multi-mode, LDO-based Li-ion battery charger in 0.35μm CMOS technology," in Proc. IEEE Asia-Pacific Conf. Circuits and Systems, Taiwan, Dec. 2004, pp.49-52.
8. F.Lima, JNRamalho, D.Tavares, J.Duarte, C.Albuquerque, T.Marques, A.Geraldes, APKasimiro, G.Renkema, J.Been and W.Groeneveld, «A Novel Universal Battery Charger for NiCd, NiMH , Li-Ion and Li-Polymer, "in Proc 29th European. Solid-State Circuit Conf., Portugal, Sep.2003, pp.209-212.