Figura 1 Solução tradicional para carregadores de bateria de várias células

Aproveite os benefícios das soluções integradas para carregadores de várias células

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Equipamentos elétricos, como equipamentos médicos industriais, aspiradores de pó, drones e alto-falantes de alta potência, exigem vários carregadores de bateria de íon de lítio / polímero de lítio para alimentação. A solução tradicional para carregadores de bateria de várias células consiste em vários MOSFETs de energia discreta e vários componentes auxiliares.

figura 1 mostra que em uma solução tradicional, os designers precisam de pelo menos dois MOSFETs de energia para um conversor de energia e um MOSFET de energia para impedir que a energia da bateria flua de volta para a entrada. Loops de controle que incluem circuitos sensores, circuitos de compensação, geradores de modulação por largura de pulso (PWM) e drivers são essenciais. Além disso, o sistema precisa de circuitos que ofereçam proteção, indicações para a fonte de entrada ou quaisquer alterações nas condições de operação, e Outras funções.

Figura 1 Solução tradicional para carregadores de bateria de várias células

1. Uma solução tradicional para carregadores de bateria de várias células requer um grande número de componentes externos.

Esses componentes discretos resultam em um processo de projeto complicado, altas taxas de falhas, tamanho grande da placa e altos custos da lista de materiais (BOM). Sem dúvida, a solução tradicional precisa ser aprimorada.

Para aumentar a qualidade do produto, reduzir as taxas de falhas e economizar nos custos de projeto, uma solução integrada é uma evolução necessária. Uma solução semi-integrada ou totalmente integrada pode resolver problemas enfrentados pelas soluções tradicionais para carregadores de bateria de várias células e acelerar o tempo de colocação no mercado.

Figura 2 mostra uma solução semi-integrada. Nesta solução, todos os circuitos de controle (incluindo proteções e indicações) são integrados em um IC dedicado. Isso elimina a necessidade de projetar parâmetros de compensação, escrever códigos complicados ou desenhar layouts complexos de PCB, o que reduz o processo de design. No entanto, MOSFETs discretos ainda levam a um problema com o tamanho da placa.

Figura 2 Solução semi-integrada

2. Um carregador de bateria multicelular semi-integrado é menor e mais eficaz que seu equivalente tradicional.

Figura 3 mostra uma solução totalmente integrada, na qual três MOSFETs de potência com baixa resistência de condução e todos os loops de controle são integrados em um dispositivo. Isso reduz significativamente o processo de design, reduz o tamanho da BOM e otimiza a eficiência.

Figura 3 Solução totalmente integrada

3. Um sistema totalmente integrado é uma solução que economiza espaço e oferece a mesma eficiência que um carregador tradicional.

tabela 1 lista as listas técnicas para soluções integradas versus tradicionais. Soluções integradas (especialmente aquelas totalmente integradas) reduzem bastante o tamanho da placa.

Tabela de monólitos1

Inovação

Carregadores de bateria multicelulares totalmente integrados têm muitas vantagens. Por exemplo, o MP2759 da Monolithic Power Systems (MPS) é um carregador de comutação altamente integrado, projetado para aplicações de carregamento com baterias de íon de lítio ou de polímero de lítio da série de 1 a 6 células. Este IC, que integra três MOSFETs de potência mais circuitos de controle analógico em um pacote de 3 × 3 mm, pode operar de maneira confiável e segura com muito poucos circuitos externos.

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Sistema de carregamento totalmente integrado

Figura 4 mostra um circuito de aplicação típico para uma solução totalmente integrada. Seu estágio de potência precisa de um indutor e três capacitores e, com poucos componentes externos, a função completa de carregamento é realizada.

Figura 4 Circuito típico de aplicação da solução totalmente integrada

4. O MP2759 é uma solução totalmente integrada desenvolvida pela MPS.

Um carregador de bateria moderno carrega a bateria em quatro fases: carga lenta, pré-carga, carga de corrente constante e carga de tensão constante (Fig. 5). Com todos os circuitos de controle integrados ao dispositivo, o carregamento é rápido, simples e confiável.

Figura 5 Perfil de carga típico

5. Um perfil de carga típico estabelece as diretrizes para carregadores de bateria de várias células.

Graças à baixa resistência de condução dos MOSFETs integrados, soluções totalmente integradas como o MP2759 exibem eficiência de até 97% (Fig. 6). Figura 7 mostra como essas soluções também podem oferecer desempenho térmico aprimorado, como o MP2759 com um aumento da temperatura da caixa de 42,3 ° C.

Figura 6 Curva de eficiência do Mp2759

6. Soluções totalmente integradas economizam energia. (Condições de teste: L = 10 µH / 35 mΩ, RSNS = 20 mΩ)

Figura 7 Avaliação de desempenho térmico

7. O MP2759 é uma solução totalmente integrada que apresenta excelente desempenho térmico. (Condições de teste: VNO = 36 V, VBATT = 24 V, ICC = 2 A, fSW = 700 kHz, L = 10 µH / 35 mΩ, RSNS = 20 mΩ, queime em 20 minutos; informações da placa: 63,5 × 63,5 mm, 4 camadas, 2 oz / camada)

Extensão de função com gerenciamento de caminho de energia de circuito externo simples

Idealmente, as soluções integradas devem oferecer suporte ao gerenciamento do caminho de energia para priorizar a energia no trilho do sistema. O MP2759 emprega um método comum para gerenciamento de caminho de energia. Com um MOSFET de canal P externo conectado entre a bateria e o sistema, também conhecido como BATTFET, a carga do sistema é aplicada no pino PMID e o portão do BATTFET é acionado pelo sinal do pino IN (Fig. 8).

F Gerenciamento de caminho de potência do Igure 8

8. O gerenciamento do caminho de energia é simplificado em sistemas de carregadores integrados.

Quando não há fonte de entrada, o BATTFET liga e a corrente flui da bateria para o sistema. Quando uma fonte de entrada está presente, o BATTFET desliga e a energia do sistema é fornecida pela fonte de entrada através do Q1. Se a corrente total de entrada até Q1 atingir o limite de corrente de entrada predefinido definido pelo pino ILIM, a corrente de carga será reduzida para priorizar a carga do sistema.

Como demonstração, Figuras 9 e 10 mostra formas de onda representando o desempenho do gerenciamento de caminho de energia no MP2759.

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Figura 9 Inicialização e desligamento do gerenciamento do caminho de energia

9. O gerenciamento do caminho de energia é estável em uma solução de carregador de bateria multicelular totalmente integrada. (Condições de teste: VNO = 16 V, VBATT = 8 V, IIN_LMT = 2 A, ICC = 3 A, ICARGA = 1 A)

Figura 10 Iin Lmt atinge o limite de corrente de entrada predefinida no gerenciamento do caminho de energia

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10. A corrente de entrada é atingida em um ritmo suave em soluções totalmente integradas. (Condições de teste: VNO = 36 V, VBATT = 8,48 V, IIN_LMT = 1 A, ICC = 2 A)

Ajustando a corrente de carregamento em tempo real com um MCU

Muitos dispositivos alimentados por bateria devem poder ajustar a corrente de carregamento em tempo real para ajustar seu desempenho. Isso ocorre porque os fabricantes de células e baterias especificam limites diferentes de corrente de carga, dependendo da temperatura e da tensão de cada célula. A maioria dos carregadores de bateria de célula múltipla integrados usa um resistor conectado a um pino de configuração de corrente (normalmente chamado de pino ISET) para regular a corrente de carregamento, em vez de usar um I mais caro2C.

Existem dois métodos comuns para regular a corrente de carga com um resistor:

1. A corrente que flui através do resistor é lida com uma tensão constante.

2. A tensão é lida no resistor enquanto a corrente permanece constante.

Vamos explorar como regular a corrente de carregamento em tempo real usando uma solução de carregamento integrada com base no método 1. Figura 11 mostra o circuito equivalente de um pino ISET.

Figura 11 Circuito equivalente do pino Iset

11. O circuito equivalente do pino ISET é o primeiro passo para fazer cálculos para carregadores de bateria de várias células.

O carregador pode regular a corrente de carga com um resistor (REU COLOCO) entre o pino ISET e AGND. EuCHG pode ser calculado com a Equação 1:

Eq1

onde RCONS é o valor de REU COLOCO quando euCHG = 1 A.

Do equivalente REU COLOCO circuito mostrado em Figura 12, é possível alterar o equivalente REU COLOCO modificando o ciclo de trabalho do PWM com uma MCU. Isso permite que a corrente de carga seja alterada em tempo real.

Figura 12 Circuito de Riset Equivalente

12. Um equivalente eficaz REU COLOCO circuito utiliza três resistores.

Em seguida, o equivalente REU COLOCO (REQ) pode ser calculado com as Equações 2 e 3:

Eq2

Eq3

onde VCONS é a tensão constante do pino ISET, DUTY é o ciclo de trabalho PWM e VM_PWM é a amplitude do PWM (geralmente cerca de 3,3 V). Observe que nas Equações 1, 2 e 3, REQ deve ser maior que 0; caso contrário euCHG é 0 A.

Para projetar um sistema totalmente integrado, os parâmetros padrão (R1 1, R2, R3, CEU COLOCO) pode ser estimado com as seguintes equações e etapas:

Primeiro, o resistor equivalente correspondente à corrente máxima de carga (RMAX_ICHG) é calculado com a Equação 4:

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Eq4

Em seguida, escolha um R apropriado1 1 usando a Equação 5:

Eq5

Em seguida, R2 e R3 pode ser calculado com a Equação 6:

Eq6

em que MAX_DUTY é a carga máxima de PWM quando a corrente de carga cai para 0 A. É recomendável que seja cerca de 80% do ciclo de operação.

Por fim, escolha um C apropriadoEU COLOCO para filtrar o sinal PWM para o sinal dc. CEU COLOCO pode ser estimado com a Equação 7:

Eq7

Onde fPWM é a frequência PWM.

Uma solução ideal para baterias de íon de lítio e polímero de lítio deve oferecer boa linearidade entre a corrente de carga e o ciclo de trabalho PWM, e uma ampla faixa efetiva de serviço. Por exemplo, o MP2759 oferece uma faixa de 0% a 82% (Fig. 13).

Figura 13 Corrente de carregamento versus ciclo de serviço Pwm

13. Existe uma relação linear entre a corrente de carga e o ciclo de trabalho PWM.

Além disso, o MP2759 não experimenta superação ou subversão quando a corrente de carga muda (Fig. 14). O dispositivo demonstra inicialização e desligamento normais quando o ciclo de trabalho do PWM é de 50% (Fig. 15).

Figura 14 Transição de corrente de carregamento entre 0 5 A e 2 4 A

14. As formas de onda flutuam à medida que uma solução de carregador de bateria totalmente integrada faz a transição entre os ciclos de serviço.

Figura 15 Formas de onda de inicialização e desligamento com ciclo de trabalho de 50% Pwm

15. Uma solução totalmente integrada mostra formas de onda padrão de inicialização e desligamento no ciclo de trabalho de 50% PWM.

Funções auxiliares – proteções e indicações

Para sistemas de carregamento e ICs, é vital proteger a bateria. Para garantir uma operação segura, as proteções recomendadas incluem bateria e proteção contra sobretensão de entrada, proteção de temperatura da bateria, desligamento térmico, um timer de segurança e a capacidade de regular a corrente de carga, dependendo da voltagem da bateria. Os circuitos de proteção totalmente integrados reduzem o número de CIs necessários para essas proteções.

O MP2759 possui pinos / ACOK e / STAT que indicam o status da fonte de entrada e o status da operação do IC. Os designers podem monitorar os sinais nesses pinos para determinar se o dispositivo está carregando normalmente. mesa 2 mostra os status / ACOK e / STAT sob diferentes fontes de entrada e condições operacionais.

Tabela de monólitos2

Conclusão

Comparada a uma solução tradicional, uma solução totalmente integrada oferece eficiência muito alta, vários recursos de segurança, menores custos de BOM e ciclos de projeto mais curtos. Este artigo usa o MP2759 do MPS para demonstrar as vantagens de uma solução integrada, que inclui três MOSFETs de potência com baixa resistência de condução, loops de controle analógicos e funções auxiliares, como proteções e indicações. Soluções integradas como essa podem ajudar os projetistas a obter o gerenciamento do caminho de energia e o ajuste da corrente de carga em tempo real com circuitos externos simples.

Tessie Zhang é engenheira de aplicação na Monolithic Power Systems (MPS).

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