Aplicaţiile portabile sunt în continuă schimbare. Ele devin mai complexe cu scopul de a furniza utilizatorului final noi experienţe prin adăugarea de funcţii noi. Funcţiile noi însă lansează întotdeauna noi provocări pentru proiectarea sursei de tensiune. Este necesară de obicei mai multă energie, deşi capacitatea şi dimensiunea bateriei o limitează. Display-uri mai mari cu iluminare de fundal mari consumatoare, putere de calcul mai mare, capacitate de stocare de date mai mare, camere integrate de înaltă performanţă, inclusiv cu funcţie de lanternă sau capabilităţi extinse de conectivitate la reţea, sunt doar câteva exemple.
de Juergen Neuhaeusler, Senior Systems Engineer – Advanced Low Power Solutions, Texas Instruments Incorporated (TI)
Pentru a menţine sau a extinde durata de viaţă a bateriei fără a-i creşte dimensiunea necesită utilizarea modurilor de consum energetic redus când blocurile aplicaţiei nu sunt active. Aceste blocuri trebuie comutate imediat la energie normală atunci când este necesar. Acest lucru poate cauza schimbări rapide şi importante ale curentului bateriei. Pot apărea vârfuri ridicate de curent cu factori de umplere mici urmaţi de curent aproape zero. Acest lucru reduce curentul mediu de intrare şi, astfel, extinde durata de viaţă a bateriei – dar semnifică de asemenea vârfuri de sarcini ridicate aproape imprevizibile la baterie.
Impedanţa de ieşire a bateriei determină dacă configuraţia bateriei poate suporta acest vârf de sarcină şi modul în care o va face. Impedanţa e diferită datorită chimiei bateriei şi conexiunilor acesteia. Impedanţa sursei de tensiune a aplicaţiei este determinată de un posibil switch pentru baterie, un circuit de protecţie (dacă este necesar), conectorii bateriei şi conexiunea bateriei la circuitul de management energetic, împreună cu impedanţa de ieşire proprie bateriei. Orice vârf de curent ridicat în aplicaţie va cauza căderi semnificative de tensiune pe această impedanţă de ieşire şi, astfel, va scădea tensiunea de alimentare reală a circuitului de management energetic.
Figura 1 prezintă impedanţele de ieşire măsurate pentru trei tehnologii diferite de baterii. Curba magenta indică impedanţa de ieşire a unei configuraţii serie a două celule alcaline, cea galbenă indică impedanţa de ieşire a unei celule secundare LiFePO, iar curba albastră este pentru o celulă secundară Litiu-Ion (Li-Ion). Graficul arată că ambele tehnologii bazate pe Litiu (Li) sunt similare. Circuitul de protecţie necesar pentru tehnologia Li-Ion, care nu este inclus în această măsurare, creşte impedanţa de ieşire cel puţin cu rezistenţa de pornire a comutatoarelor bateriei necesare pentru a deconecta celula. Configuraţia cu celulă alcalină din acest exemplu este dezavantajată de dimensiunea mai mică a celulei (AA în comparaţie cu 18650) şi cele două celule în configuraţie serie. Impedanţele individuale ale celulelor sunt conectate în serie şi conexiunea suplimentară între baterii este conectată de asemenea în serie. În ciuda acestui fapt, celulele alcaline utilizate în acest test prezintă o creştere semnificativă în impedanţa de ieşire în timpul descărcării în comparaţie cu valoarea aproape constantă observată la tehnologiile cu Li.
Când este utilizat curent de la aceste baterii, tensiunea la celule scade, ca şi tensiunea de intrare a circuitului de management energetic conectat. Acest lucru este cauzat de căderile de tensiune pe toate impedanţele bateriei şi conexiunilor acesteia. Datorită tensiunii mai scăzute energia disponibilă devine mai mică. Un convertor DC/DC poate compensa acest lucru prin creşterea curentului de intrare din moment ce, cererea de energie de ieşire pentru convertorul DC/DC este fixă şi definită de circuitul aplicaţiei. La un anumit curent în baterie, creşterea curentului bateriei nu însemnă în mod necesar că astfel poate fi crescută şi energia luată de la la baterie.
Figura 2 prezintă rezultatul unui calcul simplu presupunând o impedanţă de sursă constantă de 350 mOhm, care este aproape de cel mai rău caz pentru bateriile Li prezentate mai sus. Gama de tensiuni ale bateriei în circuit deschis utilizată pentru calcule este între 1,8V şi 4,5V. Se poate observa că la tensiuni ridicate, la un curent ridicat al bateriei încă însemnă o energie de ieşire mai ridicată a bateriei. Energia crescută nu este liniară cum ar fi în cazul unei baterii ideale cu impedanţă de ieşire 0 Ohm. Dar la tensiuni reduse efectul este invers. La 1,8V, curentul mai ridicat din baterie conduce la mai puţină energie disponibilă, dacă curentul este mai mare de 2A.
Dacă este nevoie de o anumită energie, configuraţia celulei bateriei şi conexiunile trebuie să fie analizate în detaliu. Ar putea fi necesar să se schimbe configuraţia cu celule multiple în paralel pentru a gestiona mai bine curenţii ridicaţi, în special la baterii aproape descărcate. Căderea de tensiune cauzată de vârfurile curenţilor de intrare afectează de asemenea gama de tensiuni de alimentare cu care lucrează sistemul de management energetic. Acesta se extinde la tensiuni joase şi necesită topologii de convertor DC/DC diferite, cum sunt convertoarele coborâtoare-ridicătoare de tensiune (buck-boost).
Convertoarele coborâtoare de tensiune nu sunt capabile să stabilizeze tensiunea de ieşire când, datorită vârfurilor de sarcină la baterie, ieşirea sursei lor de tensiune a scăzut sub tensiunea de ieşire programată. Acest lucru poate conduce la operarea nesigură a sistemului. Ar putea avea loc închiderea parţială a sistemului declanşată de detectori de închidere la subtensiune, dar şi defecţiuni cauzate de întreruperea sursei de tensiune.
Pentru a rezolva aceste probleme pot fi utilizate circuite de monitorizare de tensiune pentru generarea de informaţii pentru luarea deciziei de a permite sau a dezactiva diferite părţi ale aplicaţiei, în funcţie de energia disponibilă a bateriei. Un exemplu este oprirea bliţului camerei unui telefon mobil atunci când bateria este aproape descărcată pentru a asigura funcţionarea corespunzătoare a comunicaţiei. Pentru a evita irosirea timpului de lucru al bateriei, energia disponibilă trebuie să fie prezisă foarte precis, ca şi diferitele cazuri posibile de utilizare şi cele mai proaste situaţii de consum energetic.
Trebuie luate în considerare cererea ridicată de energie şi energia redusă disponibilă în timp datorită efectelor de îmbătrânire, dar şi a diferenţelor de fabricaţie.
Pentru a evita blocarea sistemului datorată supraîncărcării, sursa de alimentare a curentului de intrare trebuie să fie controlată corespunzător. Acest lucru se poate realiza prin utilizarea de dispozitive cu un control precis al limitei curentului de intrare. Aplicaţiile proiectate pentru alimentare prin USB sunt bune exemple în acest sens. Cantitatea de curent care poate fi obţinută de la un port USB este definită precis. Pentru a controla acest lucru corespunzător, este necesar un circuit de management energetic capabil să lucreze precis la limita sa de curent. TPS62750 este un exemplu de convertor coborâtor de tensiune proiectat pentru această cerinţă.
Dacă sursa de alimentare este o baterie precum cele descrise mai sus, energia disponibilă depinde de viteza de descărcare. Dacă se doreşte evitarea blocării sistemului, curentul de intrare trebuie să fie de asemenea controlat. Din nefericire, din moment ce curentul maxim posibil depinde de viteza de descărcare a bateriei, o limită constantă a curentului de intrare nu ar putea rezolva satisfăcător problema. Valoarea ţintă necesară pentru limita de curent este cel mai mic maxim al curentului bateriei în condiţiile din cazul cel mai rău. Din moment ce acest lucru se întâmplă numai la sfârşitul descărcării, această abordare în mare parte limitează semnificativ energia disponibilă în condiţiile tipice de lucru. Acest lucru limitează de asemenea funcţiile care pot fi suportate.
Ajustarea dinamică a limitei curentului de intrare în funcţie de starea bateriei permite menţinerea activă a unui set complet de funcţii la energie mai ridicată disponibilă la condiţiile de lucru tipice. Acesta ajută de asemenea la menţinerea funcţională a sistemului cu un set minim limitat de funcţii în condiţii extreme. Obţinerea unei indicaţii de la convertorul DC/DC referitor la limitarea energiei disponibile ajută sistemul să decidă dezactivarea din timp a funcţiilor mai puţin importante. Un exemplu de convertor DC/DC care suportă această strategie de proiectare într-un mod simplu este amplificatorul coborâtor de tensiune TPS63020.
Dacă curentul de intrare disponibil nu este suficient pentru a alimenta aplicaţia, deşi curentul mediu necesar este destul de scăzut, este nevoie de o stocare de energie. Acest lucru se face de obicei prin utilizarea de condensatoare mari. Pulsurile de curent de vârf sunt suportate de condensator, care este încărcat în timpul pauzelor dintre pulsuri. Pentru aceasta, este necesară operarea cu limite de curent ale convertorului DC/DC. Convertorul DC/DC devine inactiv imediat ce condensatorul de ieşire este încărcat la tensiunea nominală programată. Consumul de energie al convertorului DC/DC în mod inactiv trebuie să fie scăzut, iar impedanţa de ieşire trebuie să fie ridicată pentru a nu descărca condensatorul de ieşire în timpul aşteptării următorului puls de sarcină. Toate aceste funcţii sunt implementate în amplificatorul coborâtor de tensiune TPS63020.
Despre autor
Juergen Neuhaeusler este inginer de sistem în grupul Advanced Low-Power Solutions al TI.
Juergen este responsabil pentru definirea de noi dispozitive de management energetic, testarea acestora şi instruirea clienţilor în utilizarea lor. Juergen şi-a luat diploma în inginerie electrică de la Universitatea Tehnică din Munchen.
Referinţe
Pentru mai multe informaţii despre proiectarea surselor de alimentare în echipamente portabile, puteţi descărca foile de catalog din paginile web:
www.ti.com/tps62750-ca
www.ti.com/tps63020-ca
Pentru mai multe informaţii şi alte soluţii de putere de la Texas Instruments, vizitaţi pagina web:
www.ti.com/power-ca
Contact:
Irina Marin / ECAS ELECTRO
Tel.: 021 204 8100 begin_of_the_skype_highlighting 021 204 8100 end_of_the_skype_highlighting
Fax: 021 204 8130
www.ecas.ro
www.ecas.ro
Gabriela Petrache / TI / Suport Clienţi România
eecsc@ti.com