Интернет журныл о промышленности в Украине

Зарядні пристрої ноутбуків. Основи функціонування та схемотехніки. (Частина I).

Журнал "Світ периферійних пристроїв ПК"

Конягин Олексій, Навчальний центр "Експерт"

автор і викладач курсу "Ремонт ноутбуків та нетбуків"

Зарядні пристрої, що позначаються на схемах, як Charger, є ключовою ланкою в процесі запуску ноутбука.Названіе «зарядний пристрій» зовсім не означає, що воно використовується тільки для заряду акумулятора. Цим модулем формується первинна напруга, з якого потім виробляються всі інші напруги, тобто Сharger є одним з ключових ланок у всій системі енергозабезпечення ноутбука. І тому не дивно, що статистика несправностей ноутбуків говорить про необхідність обговорення схемотехніки даного модуля.

У середовищі фахівців і користувачів ноутбуків так склалося, що зарядні пристрої часто називають блоки живлення, формують постійну напругу величиною приблизно + 19V. Ця напруга отримують з мережевого змінної напруги 220 Вольт шляхом імпульсного перетворення. Але називати цей перетворювач, цей блок живлення, зарядним пристроєм якось не зовсім коректно. До нього більшою мірою підходить термін «мережевий адаптер».

Зарядний пристрій (Charger) в ноутбуках виконує, як правило, такі основні функції:

  • формування зарядного напруги / струму для акумуляторної батареї;
  • комутацію «первинного» напруги, необхідного для формування всіх системних напруг;
  • інформування системних контролерів про підключення мережевого адаптера;
  • автоматичне керування потужністю, споживаної від мережевого адаптера (функція DPM).

Спрощену функціональну схему charger'а ми спробували представити на рис.1.

Рис.1 Блок-схема зарядного пристрою ноутбука

Формування зарядного напруги акумулятора

Виходячи з назви модуля, ця функція є його найважливішою функцією. Як відомо, в акумуляторних батареях ноутбуків, в даний час широко застосовуються літій-іонні акумулятори (LiOn). Номінальною напругою одного літій-іонного елемента є 3.6 Вольт. На практиці ж, заряд цих елементів здійснюється напругою 3.9 - 4.3 вольт / елемент. Також добре відомо, що збільшення ємності батарей досягається послідовно-паралельним включенням декількох акумуляторів.

Рис.2 Трьохелементний (3-Cell) батарея. Кожен елемент складається з двох паралельно-включених "банок". В результаті отримуємо батареї типу "3S-2P"

Найчастіше, батарея утворена трьома елементами (Cell's), кожен з яких, в свою чергу, складається з двох або трьох паралельно-включених «банок» (рис.2). Зрозуміло, що такі багато-секційні батареї вимагають збільшеного зарядного напруги, величину якого дуже легко підрахувати: необхідна напруга заряду одного елемента помножити на кількість елементів в ланцюжку. Таким чином, проста арифметика показує, що для заряду 3-елементних батарей необхідно напруга 11,7 ... 12,9 Вольт. Відрізнити 3-елементні батареї можна наступним чином:

  • по-перше, в прайс-листах реселерів ці батареї можуть бути позначені, як 3-Cell;
  • по-друге, по напрузі батареї - 3-х елементні акумулятори мають вихідну напругу, рівне 10.8 Вольт (іноді трапляються батареї з напругою 11.1 Вольт). Ще раз звертаємо увагу, що це лише номінальну напругу акумуляторів, а насправді напруга на них трохи вище, наприклад, 12.6 Вольт.

Поряд з 3-Cell батареями, існують і 4-х елементні акумулятори (рис.3). Ці батареї вимагають зарядного напруги величиною від 15.6 В до 17.2 В. Акумулятори цього типу в прайс-листах позначаються, як 4-Cell, а їх вихідна напруга, як правило, так само 14.4 В (але зрідка трапляються батареї з вихідним напругою 14.8 Вольт).

Рис.3 чотирьохелементний (4-Cell) батарея. Кожен елемент складається з двох паралельно-включених "банок". В результаті отримуємо батареї типу "4S-2P"

Крім того, ряд ноутбуків дозволяє працювати як з 3-елементними, так і з 4-елементів батареями, автоматично змінюючи формується зарядна напруга, в залежності від типу підключеного батареї. Природно, що Charger таких ноутбуків повинен «уміти заряджати» батареї різних типів, формуючи різний вихідна напруга і різні вихідні струми.

Мережевий адаптер (блок живлення), який є головним джерелом енергії для ноутбука, формує постійна напруга номіналом 19 Вольт. А для заряду акумуляторів, як ми бачили, потрібна менша напруга. Тому в складі ноутбука присутній зарядний пристрій, що формує напругу відповідного номіналу, достатню і необхідну для заряду батареї. Таким чином, фактично, Charger являє собою понижуючий DC-DC перетворювач імпульсного типу, в якому можуть бути реалізовані і деякі додаткові функції. Наприклад, такі як:

  • вмикання і вимикання перетворювача по командам від керуючого контролера;
  • контроль вихідного струму, тобто контроль струму, споживаного акумуляторною батареєю в момент її заряду;
  • контроль вихідного зарядного напруги, що прикладається до акумулятора, з метою його регулювання та стабілізації;
  • управління величиною зарядного струму;
  • визначення підключення акумуляторної батареї з метою запобігання роботи в режимі холостого ходу і ін.

Комутація первинної напруги

Джерелом енергії для ноутбука може бути або мережевий адаптер, коли він підключений до мережі живлення 220 Вольт, або акумуляторна батарея. У складі charger'а є транзисторні ключі, які комутуються таким чином, щоб на виході charger'а завжди присутнє напруга VDC, з якого потім формуються всі необхідні для роботи ноутбука напруги. Ця напруга VDC є або напругою мережевого адаптера (тобто напругою 19В), або напругою від акумулятора (наприклад, 12 В).

Логіка роботи даної схеми дуже проста. Якщо мережевий адаптер підключений і формує напругу 19В, то Charger на свій вихід починає транслювати саме цю напругу. Якщо ж напруга мережевого адаптера не виявлено, то відбувається перемикання на акумуляторну батарею. Фактично, схема комутації первинної напруги являє собою два ключа і контролер, який аналізує наявність вхідної напруги 19В (рис.4).

4)

Рис.4 Принцип вибору "первинного" джерела енергії для харчування ноутбука

До функцій вхідних комутаторів, можна віднести і функцію контролю вхідного струму. Для цього в схему charger'а вводиться ланцюг вимірювання струму, традиційно складається з токового датчика, у вигляді низкоомного резистора. Цей ланцюг дозволяє вимірювати величину струму, споживаного джерелами живлення ноутбука від мережевого адаптера, тобто дозволяє вимірювати струм в каналі 19V. Величину вхідного струму аналізує контролер зарядного пристрою, і, якщо виміряне значення перевищує задану величину, контролер зарядного пристрою закриває вхідний ключ каналу 19V. Такий захист дозволяє виключити роботу мережевого адаптера в разі коротких замикань при несправності в живлять каскадах ноутбука.

Інформування про підключення мережевого адаптера

Ця функція тісно пов'язана з попередньою. Якщо контролер charger'а виявив наявність напруги 19В від мережевого адаптера, то він не тільки перемикає ноутбук на роботу саме від цієї напруги, але і «повідомляє» про це контролера клавіатури - KBC (EC) або "південного моста" за допомогою генерації сигналу, часто позначається на схемах, як ACOK. Активність сигналу ACOK призводить до того, що зарядний пристрій запускається і починається зарядка акумуляторної батареї, а, крім того, виводиться відповідна індикація режиму роботи ноутбука.

Зробивши короткий огляд загальних принципів функціонування charger'а, переходимо до розгляду схемотехнік, покладених в основу побудови зарядних пристроїв.

Центральним елементом будь-якого charger'а є мікросхема-контролер, набір функціональних можливостей якого може бути дуже широким. Однак для побудови charger'а можуть бути використані і досить примітивні контролери.

У деяких, вже досить старих, моделях ноутбуків в якості мікросхем контролерів зарядного пристрою доводилося зустрічатися з такою мікросхемою загального застосування, як TL494 (фахівці, які займалися системними блоками харчування AT і ранніми ATX, з цієї мікросхемою повинні бути дуже добре знайомі). Природно, що таке рішення відрізняється досить громіздкою схемотехнікою і складністю реалізацій навіть найпростіших функцій. Тому про подібні схемах слід говорити, як про екзотику, і брати їх за приклад для обговорення не варто.

В даний час існує цілий ряд спеціалізованих мікросхем, розроблених виключно для застосування в ноутбуках і саме в якості charger'а. Мікросхеми цього класу випускаються, в основному, такими виробниками, як Maxim, Intersil, Fujitsu Electronics, Texas Instruments (сімейство BQ). Інтегровані Charger'и дозволяють значно спростити розробку схеми зарядного пристрою і знизити її габарити. Крім того, такі контролери «навантажені» великою кількістю додаткових функцій, про які йшлося на початку статті. В результаті, в сучасних ноутбуках повсюдно застосовуються інтегральні Charger'и, і схемотехніка всього зарядного пристрою визначається типом і функціональними характеристиками саме цієї мікросхеми.

Так як мікросхем інтегральних Charger'ов зараз досить багато, то і різних варіантів побудови зарядного пристрою теж вистачає. Однак, незважаючи на всю різноманітність схем зарядних пристроїв і застосовуваних в них контролерів, постараємося виділити і охарактеризувати їх основні елементи.

Детектор мережевого адаптера

Визначення вхідного напруги живлення, який формується мережним адаптером, відноситься до основних функцій charger'а. Практично у всіх сучасних мікросхемах Charger'ов ця функція є внутрішньою, і для її реалізації є окремий контакт, на який подається напруга, пропорційне рівню вхідного напруги 19VDC, формованого адаптером. У найменуванні цього контакту найчастіше зустрічається абревіатура "AC" (наприклад, ACIN або ACSET і т.п.), яка вказує на те, що даними сигналом детектується підключення ноутбука до мережі живлення змінного струму.

Рис.5 Детектор мережевого адаптера

Детектор мережевого адаптера є дільник напруги і компаратор, інтегрований в мікросхему charger'а (рис.5). На вхід детектора подається напруга + 19V, яке резистивним дільником зменшується до напруги, допустимого для входу мікросхеми, наприклад, до 5 Вольт або до 2.5 Вольт. Далі, всередині мікросхеми цю напругу порівнюється з внутрішнім опорним напругою, номінал якого є унікальним для кожної мікросхеми charger'а (але зазвичай близький до рівня 1.2В або 2В). Компаратор здійснює контроль вхідної напруги ноутбука, тобто не дозволяє ноутбуку почати роботу від адаптера при занадто низькому напрузі.

Схема детектора мережевого адаптера формує сигнал, який ми умовно назвемо «ACOK». Активізація сигналу ACOK підтверджує, що виявлено підключення мережевого адаптера, і що його напруга відповідає робочому діапазону. Сигнал ACOK, як правило, є виходом з відкритим колектором (стоком), а його рівень активності (високий або низький) визначається типом мікросхеми charger'а (рис.6). Сигнал ACOK подається на вхід мікросхеми ICH ( «південний міст») або на вхід мікросхеми керуючого контролера, в якості якого зазвичай використовується KBC.

Сигнал ACOK подається на вхід мікросхеми ICH ( «південний міст») або на вхід мікросхеми керуючого контролера, в якості якого зазвичай використовується KBC

Рис.6 Вихідний сигнал детектора може бути активний як високим рівнем, так і низьким

Вихід з відкритим колектором / стоком передбачає «підтягування» цього контакту до шини харчування через що обмежує резистор. Але звідки ж візьметься «підтягує» напруга, якщо ноутбук і всі його елементи ще не почали свою роботу?

Дуже часто підтягує напруга для виходу ACOK формується самої мікросхемою Charger-контролера. До складу контролера вводиться лінійний стабілізатор, що формує постійну напругу з яке живить напруги мікросхеми, тобто з + 19V, що подаються на вхід DCIN. Вихід лінійного стабілізатора часто позначається як LDO (рис.7). Вихідна напруга цього лінійного стабілізатора звичайно дорівнює +5 Вольт. У деяких випадках в якості «підтягує» напруги для виходу ACOK використовується опорна напруга, також формується внутрішнім джерелом опорного напруги, і що позначається VREF.

У деяких випадках в якості «підтягує» напруги для виходу ACOK використовується опорна напруга, також формується внутрішнім джерелом опорного напруги, і що позначається VREF

Рис.7 "Підтягування" виходу з відкритим стоком до логічної одиниці. Джерелом напруги є внутрішній лінійний стабілізатор LDO.

Напруга + 19V для детектора мережевого адаптера береться безпосередньо з вхідного напруги роз'єму (см.ріс.5), але в деяких ноутбуках на вході зарядного пристрою встановлюється ключ, що відкривається самостійно або Charger-контролером в момент появи вхідного напруги + 19V (рис.8) . Такий ключ можна розглядати в якості буферного елемента, що виконує функцію захисту від сплеску напруги і від впливу перехідних процесів при підключенні. Також цей ключ не дозволить включитися схемою при недостатньому напрузі від адаптера, що можна розглядати як захист від несправності мережного адаптера, хоча функція захисту від запуску ноутбука при несправному адаптер, зазвичай реалізована, компаратором сигналу ACIN. Адже якщо вхідна напруга ACIN буде менше порогового напруги компаратора, вихідний сигнал ACOK не повинен генеруватися.

Рис.8 Вхідний транзистор, що відкривається автоматично

Вхідний ключ charger'а є польовим P-канальним транзистором. Найчастіше це AP4435 або його аналоги. У разі несправності вхідного транзистора зарядного пристрою і неможливості ідентифікації його маркування, можна сміливо ставити саме AP4435. Слід зазначити, що несправність цього транзистора є однією з основних проблем charger'а.

З іншого боку, досить часті і схеми без вхідних транзисторних ключів. Однак сучасна схемотехніка ноутбуків націлена на застосування вхідних транзисторних ключів, так як їх наявність, крім усього іншого, дозволяє організувати додаткові функції.

Рис.9 Реалізація додаткових захисних функцій в Charger'е ноутбука Samsung NP-P55

Як приклад такої додаткової функції, можна привести схему «зарядника» ноутбука Samsung NP-P55 (рис.9). У цій схемі початкове відкривання ключа забезпечується резистивним дільником R516 / R517, який створює на затворі транзистора Q2 напруга, менше, ніж на його початку. Це і є умовою відкриття Q2. В результаті, на стоці Q2 з'являється напруга VDC_ADPT, рівне 19 вольт. Ця напруга використовується для живлення Charger-контролера і формування всіх інших напруг ноутбука.

Крім подільника, станом транзистора Q2 управляє ще і транзистор Q503. Відкривання транзистора Q503 призводить до подачі на затвор транзистора Q2 напруги від мережевого адаптера, тобто напруги на початку та затворі вирівнюються. Це призводить до замикання Q2. Залишилося з'ясувати, що ж може привести до відкриванню транзистора Q503.

Затвор транзистора Q503 управляється тригером, що складається з транзисторів Q501 і Q502. Спрацьовування тригера відбудеться в разі відкривання хоча б одного з стабилитронов ZD500, ZD501 або ZD503. У свою чергу, ці стабілітрони відкриваються в разі значного перевищення напруги в каналах 5V, 1.8V, 1.05V, 1.25V, 1.5V. Перераховані напруги живлять процесор, чіпсет, графічний контролер і пам'ять, і збільшення цих напруг здатне накоїти чимало лиха. Критичне перевищення номіналу цих напруг може статися тільки в разі пробою транзисторних ключів в DC-DC перетворювачів, які формують ці напруги з напруги VDC.

Спрацьовування тригера означає, що Q501 і Q502 виявляються відкритими, і це буде тривати до тих пір, поки на вході ноутбука буде присутній напруга + 19V. В цьому випадку, для повторного запуску ноутбука необхідно обов'язково вийняти штекер адаптера, почекати деякий час і знову підключити ноутбук до джерела живлення.

Відкритий тригер забезпечує подачу на затвор Q503 низького рівня, що призводить до відкривання Q503 і закривання Q2. В результаті, 19V (VDC) перестає подаватися на DC-DC перетворювачі і ноутбук вимикається. Робота при підвищеній напрузі основних елементів системи виключається.

Так як для роботи детектора і його компаратора потрібна наявність опорного напруги, то, зрозуміло, необхідно забезпечити харчуванням мікросхему Charger-контролера. Годує напругою для мікросхеми є все ті ж 19V від мережевого адаптера. Тільки ці 19 Вольт для забезпечення харчування подаються на інший контакт, традиційно позначається DCIN. Але про це ми продовжити говорити вже в наступному номері нашого журналу.

Перейти до другої частини статті

Сподобалася стаття? Дізналися щось нове і цікаве?

Ви можете висловити подяку автору статті скромним грошовим переказом.

Але звідки ж візьметься «підтягує» напруга, якщо ноутбук і всі його елементи ще не почали свою роботу?
Дізналися щось нове і цікаве?