Układy do ładowarek TI. Ładowarki impulsowe, USB i bezprzewodowe

122 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA Problemy zasilania z akumulatora lub baterii Zasilanie urządzeń przenośnych to wyzwanie dla elektronika konstruk- tora, ponieważ zasoby energii są bardzo ograniczone i trzeba z nich racjo- nalnie korzystać. Oczywiście można zwiększać pojemność źródła zasilania, jednak wraz z nią rosną też wymiary geometryczne i ciężar baterii, i co bar- dzo ważne, a często niedoceniane ? wydłuża się również czas ładowania. O ile ładowanie akumulatora można zostawić na noc, gdy przeważnie urządzenie nie jest potrzebne, o tyle z wymiarami geometrycznymi akumu- latora jest pewien problem. Przychodzi bowiem taki moment, w którym użytkownik stwierdza pogardliwie np. w odniesieniu do telefonu komór- kowego ? ?cegła? i nic nie przekona go do noszenia czegoś takiego w kie- szeni. Inny sposób to ograniczanie poboru mocy, ale praw ?zyki nie da się ominąć. Posługując się przykładem telefonu komórkowego ? pamięć, procesor, układy interfejsowe mogą pobierać bardzo mało energii, dosłow- nie mikroampery, ale stopnia mocy nadajnika wielkiej częstotliwości nie da się oszukać. Punkt krytyczny: algorytm ładowania akumulatora Stosowane są różne techniki ładowania zależne od rodzaju akumulato- ra i jego pojemności. Techniki te, zwane czasami algorytmami ładowania, upewniają, że akumulator zostaje naładowany do maksymalnej pojemności bez narażania na szwank bezpieczeństwa użytkownika czy skracania czasu funkcjonowania baterii. Niektóre typy akumulatorów Li-Ion muszą być ocenione i odpowiednio zakwali?kowane przez algorytm ładowania. Nie każdy akumulator może być ładowany metodą szybką a stosowanie jej pomimo przeciwwskazań, skończy się uszkodzeniem akumulatora lub wręcz jego wybuchem. Szybkie ładowanie jest dozwolone tylko wówczas, gdy napięcie baterii i jej tempera- tura mieszczą się w określonych limitach. Dla bezpieczeństwa użytkownika ładowanie akumulatora Li-Ion, który jest gorący (typowo ma temperaturę powyżej 45°C) jest zatrzymywane do momentu, aż osiągnie on temperatu- rę normalną. Z drugiej strony, jeśli akumulator jest zimny (typowo, ma tem- peraturę poniżej 10°C) lub rozładowany (zwykle to napięcie poniżej 3 V na ogniwo), to przed jego ładowaniem metodą szybką aplikowany jest prąd, Układy do ładowarek TI Ładowarki impulsowe, USB i bezprzewodowe Nowa generacja urządzeń przenośnych, takich jak telefony komórkowe, odtwarzacze muzyki i ?lmów, PDA oraz osobiste zestawy do nawigacji, stawiają coraz wyższe wymagania bateriom. Dla każdego z użytkowników istotne jest, aby bateria ?trzymała? jak najdłużej. Oczywistym sposobem jest rozwój technologiczny i zwiększanie pojemności baterii przy jednoczesnym zmniejszaniu jej rozmiarów. Ale z drugiej strony ? przecież nikt z przeciętnych użytkowników telefonu komórkowego nie ma zamiaru (jeszcze?) z taką baterią lecieć w kosmos. Zapraszamy do zapoznania się z najnowszymi rozwiązaniami ładowarek akumulatorów urządzeń mobilnych proponowanymi przez ?rmę Texas Instruments. który wstępnie go podgrzewa i ładuje. Dopiero po osiągnięciu warunków normalnych załączane jest ładowanie szybkie. Na rys. 1 zamieszczono wykres służący do określenia pro?lu ładowa- nia akumulatora Li-Ion. Początkowo tego typu akumulator ładowany jest prądem 1 C lub mniejszym do momentu, aż zostanie osiągnięty jego limit napięcia. Typowo ten stan oznacza, że akumulator jest naładowany w 30%. Następnie bateria ładowana jest napięciem 4,1 lub 4,2 V. Napięcie stałe jest różne zależnie od wytwórcy akumulatora i materiału anody. Impulsowa ładowarka do akumulatorów Tradycyjnie już urządzenia przenośne wyposażane są w stabilizator li- niowy typu LDO, czyli do poprawnej pracy wymagający niewielkiej różnicy napięcia pomiędzy wejściem a wyjściem. Taka metoda zasilania ma szereg zalet, jak niski koszt implementacji, prosta aplikacja używająca niewielu ele- mentów, a czasami również ?cicha praca? ze względu na brak elementów ferrytowych pracujących przy wysokiej częstotliwości, a tym samym brak zjawiska magnetostrykcji niekiedy powodującego nieprzyjemny pisk. Ale coś za coś ? liniowe przetwarzanie pociąga za sobą straty mocy zamieniane następnie w ciepło. Stabilizator liniowy jest również znacznym ogranicze- niem wtedy, gdy do ładowania baterii używany jest port USB komputera (jest to możliwe dla wielu urządzeń przenośnych, jak chociażby odtwarza- cze MP3). Typowo USB może dostarczyć około 0,5 A przy napięciu 5 V, jed- nak ze względu na niską sprawność stabilizatora liniowego, moc pobierana z PC jest mocno ograniczana, co skutkuje znacznym wydłużeniem czasu ładowania. Z zasilaniem układów za pomocą USB związane są jeszcze inne problemy techniczne. Będzie o nich mowa dalej. I tu w sukurs konstruktorom przychodzą stabilizatory impulsowe. Ich główną zaletą jest bardzo wysoka sprawność. Współczesne przetwornice używane w tego typu układach oferują sprawność lepszą niż 95%! Pewnym problemem jest to, że wielu konstruktorów elektroników my- śli o zasilaczach z przetwarzaniem jako o wymagających wielkich elemen- tów przełączających, dużych cewek, rdzeni, specjalnych kondensatorów i tak dalej. Wiele elementów, takich jak dioda usprawniająca i tranzystory kluczujące wbudowanych jest w strukturę układu tak, że potrzebna jest mi- nimalna liczba elementów zewnętrznych. Do tego pracują one z wysokimi częstotliwościami przełączania i mogą używać cewek powietrznych bezr- dzeniowych. Powyższe jest prawdą, jeśli mówimy o przetwornicach dostar- Rys. 1. Pro?l ładowania akumulatora Litowo-Jonowego (Li-Ion 123ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Układy do ładowarek TI czających do obciążenia prądy rzędu setek miliamperów. Zasilacze mające prądy wyjściowe rzędu dziesiątek amperów i większe nadal budowane są przy użyciu sporej liczby komponentów zewnętrznych. Są przy tym bardzo skomplikowane układowo. Na rys. 2 przedstawiono schemat aplikacji układu scalonego bq24150/1 produkcji Texas Instruments. Jest to reprezentant nowej gene- racji przetwornic przeznaczonych do ładowania akumulatorów Li-Ion. Pra- cuje z częstotliwością przełączania równą 3 MHz. Wszystkie elementy prze- twornicy zintegrowane są w niewielkim układzie scalonym. Na zewnątrz podłączane są tylko duże pojemności oraz element indukcyjny, który jest typowym dławikiem o wymiarach 2×2,5×1,2 mm. Ładowanie z użyciem portu USB Większość urządzeń wieloportowych USB, tzw. hubów, jest w stanie do- starczać prąd o wartości 0,5 A do każdego portu USB. Można go użyć do ładowania baterii podłączonego urządzenia przenośnego. Jednak w związku z tym, że dystrybucja zasilania przez USB jest nadzorowana przez mikrokon- troler lub komputer, to ładowarka podłączana do USB musi spełniać pewne wymagania. Po pierwsze, musi mieć możliwość zasilania prądem 0,1 A w try- bie ograniczonego poboru energii lub 0,5 A w trybie pełnego zasilania. Gdy akumulator jest kompletnie rozładowany, wtedy ma bardzo małą rezystancję wewnętrzną i w momencie podłączenia może pobierać zbyt duży prąd. Wówczas to elektronika nadzorująca pobierany z portu USB prąd w reakcji obronnej odłączy zasilanie. Dlatego też, po drugie, taka ła- dowarka musi ograniczać pobór prądu i kontrolować jego wartość, jedno- cześnie dystrybuując jego ograniczone zasoby z jednej strony na własne potrzeby, z drugiej do ładowania akumulatora, któremu osiągnięcie stanu choćby częściowego naładowania zajmie od kilku do kilkunastu minut. Je- śli dodamy do tego ochronę akumulatora przed źle skonstruowanym lub uszkodzonym portem USB, który może spowodować różne bliżej nieokre- ślone stany pracy ładowarki, to wykorzystanie USB jako źródła zasilania nie wydaje się sprawą tak łatwą i oczywistą. Większość elektroników traktuje port USB jako rodzaj zasilacza dostarczającego napięcie stałe 5 V. Okazuje się jednak, że nie zawsze sprawa jest tak trywialna. Ładowarkę przeznaczoną do podłączenia do portu USB można zbudo- wać z użyciem układu bq24073 ?rmy Texas Instruments. Schemat ideowy takiego urządzenia przedstawiono na rys. 3. Układ przeznaczony jest nie tylko do sterowania ładowaniem akumulatora, ale również realizuje funk- cję dystrybucji zasilania pobieranego z portu USB. Ładowanie bezkontaktowe Ciekawym trendem są ładowarki bezprzewodowe. Nie jest to idea nowa. W tego typu ładowarki wyposażane są niewielkie urządzenia AGD. Skoro idea jest tak dobrze znana, to dlaczego dopiero teraz zaczyna się o niej mówić w odniesieniu do przenośnych urządzeń elektronicznych? Zasadniczy powód był taki, że dopiero teraz postęp technologiczny umożliwił optyma- lizację tej metody w sposób zapewniający wysoką sprawność, a co za tym idzie ? dużą szybkość ładowania. Pomyślmy, na ile czasu możemy zostawić do ładowania szczoteczkę, a jakiego czasu ładowania oczekujemy jako użyt- kownicy od urządzeń przenośnych. Norma określa, że bateria dowolnego, elektronicznego urządzenia przenośnego powinna się naładować do 70% swojej znamionowej pojemności w czasie nie dłuższym niż 1 godzina. Na rys. 4 przedstawiono ideę funkcjonowania ładowarki bezprzewodo- wej. Może ona być elementem schowka, półki czy uchwytu w samochodzie, blatu stolika w domu lub zupełnie niezależnym urządzeniem. Powierzchnia, na której kładzie się telefon, odtwarzacz MP3 lub inne urządzenie, wypo- sażona jest w cewkę. Druga cewka znajduje się w urządzeniu przenośnym. Cewka w blacie zasilana jest energią stacjonarną i przewodzi zmodulowany w amplitudzie prąd przemienny. Zbliżenie urządzenia przenośnego (położe- nie go na stole, półce itp.) powoduje, że przez cewkę zaczyna płynąć prąd o podwyższonej amplitudzie. Tworzy się transformator mający uzwojenie pierwotne w blacie, a wtórne w urządzeniu przenośnym. Jedno z rozwiązań tego typu zaproponowane przez ?rmę Fulton Inno- vation nosi nazwę eCoupledTM. W rozwiązaniu tym układ, w który wyposa- żona jest ładowarka, dynamicznie przeszukuje swoje otoczenie, poszukując rezonansu. Po pierwsze, pozwala to na wykrycie obecności urządzenia w za- sięgu ładowarki, a po drugie, na zaadaptowanie się do potrzeb urządzenia ładowanego oraz maksymalizację ilości przekazywanej energii. Ważne w tej metodzie jest to, że każde ładowane urządzenie traktowane jest indywidual- nie, a określanie jego potrzeb wykonywane jest w czasie rzeczywistym. Wróćmy jednak na chwilę do początku. Aby dobrze wytłumaczyć ideę, powiedzmy, że producenci próbują wytworzyć ładowarkę uniwersalną przeznaczoną do każdego typu akumulatorów. Wymóg, który wspomnia- no wcześniej, dotyczący szybkości ładowania w korelacji z różnymi pojem- nościami akumulatorów o różnych prądach ładowania, nie jest łatwy do spełnienia. Bardzo ważna jest też zgodność ładowarki z normami kompa- tybilności elektromagnetycznej. Ładowarka mimo emisji pola elektromag- netycznego nie może zakłócać pracy telefonu, radioodbiornika ani żadnego innego urządzenia elektrycznego w swoim otoczeniu. Dochodzi jeszcze je- den czynnik ? konsument jest bardziej skłonny zapłacić w tym przypadku raczej za wygodę użytkowania niż za modny gadżet. W związku z tym ła- dowarka bezprzewodowa musi być znacznie wygodniejsza w obsłudze od tradycyjnej. Jeden plus jest oczywisty ? żadnych kabli, żadnych złączy, jeden wspólny standard. Urządzenie ładowane jest w momencie spoczynku, gdy nie jest potrzebne, gdy o nim nie pamiętamy i nie myślimy. Mało tego, ła- dowarka bez zmian będzie pasować do każdego rodzaju urządzenia prze- nośnego. To wszystko jednak na nic, jeśli nie będzie zapewniać ładowania akumulatora w rozsądnie krótkim czasie. Andrzej Maj Rys. 2. Układ bq24150/1 do ładowarki impulsowej akumulato- rów Li-Ion Rys. 3. Układ bq24073 do dystrybucji zasilania pobieranego z portu USB Rys. 4. Koncepcja funkcjonowania ładowarki bezprzewodowej