Меню

Батарейное питание для микроконтроллеров

Батарейное питание – под контролем: решения Maxim для портативных электронных устройств

21 декабря 2016

Линейка стабилизаторов напряжения производства Maxim Integrated для управления автономным электропитанием портативных устройств включает многофункциональные интеллектуальные преобразователи с функцией выбора источника питания, регуляторами напряжения и стабилизаторами, а также мультиплексоры питания и индикаторы уровня заряда на базе алгоритмов ModelGauge, ModelGauge m3 и ModelGauge m5.

Область применения портативных устройств охватывает различные и все более обширные сферы деятельности человека. Она включает в себя интеллектуальные часы, браслеты для фитнеса, планшеты, смартфоны и другие устройства. Специфика применения портативных устройств накладывает определенные требования на системы батарейного электропитания и определяет тенденции их развития. Рассмотрим современные инновационные решения в области электропитания портативных устройств производства компании Maxim Integrated.

Основные требования к проектированию систем питания портативных устройств

С точки зрения пользователей портативных устройств с батарейным питанием практический интерес представляют два вопроса:

  • Как долго устройство сможет проработать до следующей подзарядки аккумуляторной батареи?
  • Как долго устройство может эксплуатироваться до того, как возникнет необходимость замены аккумуляторной батареи?

Для проектировщика систем питания портативных устройств решение этих вопросов требует наличия надежных и точных алгоритмов оценки остаточного заряда батареи, прогнозирования на его основе времени работы до отключения батареи по причине разряда, оценки старения батареи и прогнозирования момента начала ее быстрой деградации.

Увеличение продолжительности работы портативных устройств между очередными циклами зарядки требует, во-первых, применения малопотребляющей элементной базы, в том числе — в системах электропитания, и, во-вторых, формирования энергосберегающих профилей питания путем отключения центральным контроллером неиспользуемых периферийных устройств.

Одним из важнейших вопросов на сегодня является защита портативных устройств от использования поддельных аккумуляторов, которые в лучшем случае могут вывести из строя питаемое ими устройство, а в худшем — привести к возгоранию или взрыву. Для проектировщика систем питания портативных устройств это означает необходимость применения надежных и стойких к взлому алгоритмов аутентификации аккумуляторных батарей.

Портативные устройства, как правило, имеют ограничения по размерам, что определяет жесткие требования к габаритным размерам компонентов, применяемых во встроенных системах питания.

Все перечисленные вопросы по питанию портативных устройств могут быть в полной мере решены с использованием компонентов Maxim Integrated.

Анализ профилей питания портативных устройств

Для уменьшения размеров и веса портативных устройств необходимо минимизировать мощность, потребляемую от аккумуляторной батареи, так как это позволит использовать батареи меньшей емкости. В этом отношении портативные устройства похожи на любые другие устройства с батарейным питанием, но отличаются от них значительно меньшими габаритами, что требует совершенно другого уровня оптимизации.

Из диаграмм распределения энергопотребления в различных режимах работы типичного портативного устройства (рисунок 1) видно, что для получения максимальной продолжительности работы от аккумуляторной батареи без подзарядки портативное устройство должно предельно быстро выполнять задачи с высоким энергопотреблением и как можно дольше оставаться в неактивном дежурном режиме. Величина потребляемого тока портативных устройств, как правило, значительно меньше, чем у других устройств с батарейным питанием. Например, для непрерывной работы в течение недели от аккумуляторной батареи емкостью 50 мА•ч средний потребляемый ток не должен превышать 300 мкА. Если при этом 25% энергии аккумуляторной батареи выделить для работы в дежурном режиме, средний потребляемый ток в дежурном режиме составит не более 75 мкА. Импульсный понижающий регулятор напряжения с собственным током потребления IQ = 30 мкА будет расходовать почти половину бюджета дежурного режима, что, возможно, сделает более привлекательным вариант питания от линейного стабилизатора с низким значением IQ. В то же время для питания сильноточных периферийных компонентов системы, таких как дисплеи или радиопередатчики, потребуется пиковый ток порядка десятков миллиампер, который трудно получить без использования импульсного понижающего преобразователя с высоким КПД. Оптимизация энергопотребления в большом динамическом диапазоне нагрузок традиционно решается на основе некоторого компромисса в распределении потребляемой мощности в различных режимах работы.

Рис. 1. Распределение энергопотребления типичного портативного устройства в разных режимах работы

Потребляемая мощность является произведением напряжения питания и потребляемого тока. Для чисто резистивной нагрузки ток пропорционален напряжению питания и, таким образом, мощность связана с напряжением питания квадратичной зависимостью. Несмотря на то, что активные компоненты не являются чисто резистивной нагрузкой, для них в основном также сохраняется квадратичная зависимость потребляемой мощности от напряжения питания. В качестве примера на рисунке 2 показаны диаграммы потребляемого тока и потребляемой мощности резистора 500 Ом и генератора KC5032, на которых видно резкое уменьшение энергопотребления при сравнительно небольшом уменьшении напряжения питания. Из представленных на рисунке 2 диаграмм следует, что добавление в схему питания линейного стабилизатора может значительно снизить потребляемую мощность, несмотря на его невысокий КПД, обусловленный тем, что входной и выходной токи линейного стабилизатора практически одинаковы.

Рис. 2. Потребляемые ток и мощность резистора 500 Ом и генератора KC5032 в зависимости от напряжения питания

Во многих активных компонентах, как для экономии электроэнергии, так и по некоторым другим причинам предусмотрена встроенная стабилизация напряжения. Как правило, это стабилизаторы линейного типа, что минимизирует изменение тока потребления, однако общее энергопотребление по-прежнему линейно зависит от входного напряжения. Чтобы свести к минимуму потребление энергии при выполнении большинства системных функций, необходимо выбирать электронные компоненты с наименьшим напряжения питания из числа доступных и работать вблизи нижней границы их рабочего диапазона напряжения. Однако, как было отмечено выше, линейные стабилизаторы не позволяют в полной мере реализовать преимущества питания компонентов системы пониженным напряжением вследствие того, что входной и выходной токи линейного стабилизатора практически одинаковы. Потребляемая электронным компонентом (полезная) мощность равна произведению выходного напряжения стабилизатора на выходной ток. Остальная мощность, равная произведению входного тока на разность между входным и выходным напряжениями, рассеивается линейным стабилизатором в виде тепловой энергии.

На сегодняшний день на рынке представлены импульсные понижающие преобразователи напряжения, имеющие собственный ток потребления в диапазоне сотен наноампер, что избавляет от поиска компромисса между энергопотреблением в активном и дежурном режимах. При питании электронного компонента с рабочим напряжением 1,8 В от литий-полимерной аккумуляторной батареи со средним напряжением 3,7 В импульсный понижающий преобразователь теоретически может почти вдвое уменьшить потребляемый ток. Однако, на практике он не всегда является оптимальным решением, особенно если его выходное напряжение составляет более 80% от напряжения аккумуляторной батареи. Например, с помощью импульсного понижающего преобразователя можно получить напряжение 3,3 В из напряжения батареи 3,7 В с КПД 90%. КПД линейного стабилизатора при тех же условиях составит 85%, но линейному стабилизатору не требуется дроссель. Из графиков, показанных на рисунке 3, видно, что импульсный понижающий преобразователь с собственным током потребления 1 мкА имеет неоспоримые преимущества по сравнению с линейным стабилизатором при выходном напряжении 1,8 В и токе нагрузки менее 1 мА. Однако при выходном напряжении 3,3 В, как следует из графиков на рисунке 4, эта разница не столь существенна. В данном случае можно сделать вывод, что для напряжения питания 1,8 В предпочтительнее использовать импульсный понижающий преобразователь с собственным током потребления 1 мкА, а для напряжения 3,3 В — линейный стабилизатор, так как он занимает меньше места на плате. Учет перечисленных выше факторов является общим правилом при разработке систем электропитания портативных устройств.

Рис. 3. Зависимость КПД от тока нагрузки для трех стабилизаторов с Uвых=1,8 В

Рис. 4. Зависимость КПД от тока нагрузки для трех стабилизаторов с Uвых=3,3 В

Решения MAXIM для реализации питания портативных устройств

Традиционные системы электропитания батарейных устройств состоят из набора микросхем, каждая из которых выполняет несколько специализированных функций — защиту устройства от повышенного напряжения питания, заряд аккумулятора, формирование нескольких стабилизированных напряжений для питания микроконтроллера и периферийных устройств и так далее.

Дальнейшее снижение габаритов и внедрение энергосберегающих профилей питания диктует необходимость объединения нескольких функций на одном кристалле, что можно рассмотреть на примере многофункциональной микросхемы MAX14690, разработанной компанией MAXIM (рисунок 5).

Рис. 5. Многофункциональная микросхема MAX 14690

Микросхема MAX14690 включает в себя линейное зарядное устройство литий-ионных аккумуляторов с функцией интеллектуального выбора источника питания системы, два импульсных регулятора напряжения и три линейных стабилизатора с низким падением напряжения (LDO).

Импульсные регуляторы выполнены по схеме синхронных понижающих преобразователей напряжения с программной установкой выходных напряжений посредством шины I2C. Импульсные преобразователи характеризуются высоким КПД при номинальной нагрузке и пониженным током потребления при малой нагрузке посредством перехода в режим пропуска импульсов.

Читайте также:  Акт обследования продуктов питания

Линейные стабилизаторы напряжения имеют заводские установки выходных напряжений, но могут быть перепрограммированы на другие выходные напряжения посредством шины I2C. Линейные стабилизаторы могут быть также сконфигурированы для работы в качестве силовых ключей, посредством которых центральный контроллер системы может отключать питание неиспользуемых периферийных устройств. Для повышения гибкости построения системы электропитания на основе MAX14690 каждый линейный стабилизатор имеет отдельный вход питания.

Встроенный в зарядное устройство интеллектуальный коммутатор источника питания системы обеспечивает работоспособность системы, в том числе – при подключении «севшего» аккумулятора. При этом, во избежание перегрузки сетевого адаптера, коммутатор ограничивает входной ток на уровне, определяемом значением, записанным в соответствующий регистр посредством шины I2C. В тех случаях, когда источник питания (адаптер) зарядного устройства не может обеспечить требуемый ток нагрузки, интеллектуальный коммутатор поставляет дополнительный ток в нагрузку от батареи.

Основные характеристики MAX14690:

  • Увеличенное время работы между интервалами зарядки.
  • Два встроенных импульсных преобразователя напряжения с током нагрузки 200 мА:
    • выходные напряжения программируются в диапазонах 0,8…1,8 В и 1,5…3,3 В;
    • собственный ток потребления каждого преобразователя – 0,9 мкА.
  • Три встроенных линейных стабилизатора с током нагрузки 100 мА:
    • выходные напряжения программируются в диапазоне 0,8…3,6 В;
    • собственный ток потребления каждого стабилизатора – 0,6 мкА;
    • каждый стабилизатор может получать питание от отдельного источника с напряжением 2,7…5,5 В.
  • Простое в использовании зарядное устройство литий-ионных аккумуляторов:
    • интеллектуальный коммутатор источника питания системы;
    • устойчивость входных цепей к напряжениям -5,5…28 В;
    • встроенный контроль температуры.
  • Минимальная площадь на печатной плате благодаря высокой степени интеграции микросхемы:
    • пять независимых регулируемых напряжений питания на одном кристалле;
    • возможность переключения линейных стабилизаторов на режим силовых ключей.

Решения MAXIM для реализации питания портативных устройств включают в себя также мультиплексор питания MAX1538, который обеспечивает автоматический выбор в качестве источника электропитания системы либо адаптера, подключенного к сети переменного тока, либо одной из двух аккумуляторных батарей. Алгоритм выбора источника основан на обнаружении наличия сетевого адаптера и одной или двух батарей и определении величины заряда последних. Мультиплексор содержит быструю аналоговую схему, обеспечивающую временной интервал между отключением одного источника питания и включением другого, что позволяет осуществлять горячую замену аккумуляторных батарей. MAX1538 самостоятельно осуществляет мониторинг и выбор наиболее подходящего источника питания, освобождая микроконтроллер (МК) для выполнения других задач, что упрощает разработку встроенного программного обеспечения управления питанием и позволяет МК переходить в спящий режим, уменьшая тем самым энергопотребление системы. Структурная схема системы электропитания на основе мультиплексора MAX1538 показана на рисунке 6.

Рис. 6. Система электропитания на основе мультиплексора MAX1538

При разряде батареи до порогового напряжения MAX1538 предотвращает дальнейший разряд и сохраняет это состояние до подключения сетевого адаптера.

Мультиплексор MAX1538 поддерживает режим «переучивания», который позволяет производителям системных контроллеров реализовать кулонометрический алгоритм измерения уровня заряда батареи, например, на основе MAX1781, без вмешательства пользователя.

Мультиплексор MAX1538 содержит встроенную функцию, позволяющую использовать его для питания портативных устройств на воздушных судах. При обнаружении на измерительном входе AIRDET напряжения, соответствующего подключенному адаптеру бортовой электросети, MAX1538 автоматически прекращает заряд или разряд аккумуляторных батарей и обеспечивает питание устройства только от адаптера бортовой электросети.

Основные способы измерения уровня заряда аккумуляторной батареи

Индикаторы уровня заряда аккумуляторной батареи осуществляют оценку остаточного заряда в батарее и предоставляют устройству с батарейным питанием пользовательский интерфейс с информацией, необходимой для отображения индикации состояния батареи. Отображение состояния батареи может осуществляться как простыми пятиэлементными линейными ЖК-индикаторами в бюджетных устройствах, так и более сложными индикаторами визуального контроля, которые обеспечивают, помимо прочего, оценку оставшегося времени работы и выдают периодические уведомления о разряде батареи.

Индикаторы уровня заряда предыдущего поколения использовали технологию подсчета заряда, «израсходованного» портативным устройством, который затем вычитался из полного заряда батареи, что позволяло оценить и вывести на индикатор величину остаточного заряда в процентах. Однако кулонометрический способ измерения требует наличия измерительного резистора в цепи, что приводит к дополнительному расходу энергии в рабочем режиме устройства. Данный способ оценки заряда используется и в настоящее время, но, как правило, включает в себя фирменные алгоритмы, обеспечивающие более точные результаты измерений.

Другой способ контроля состояния заряда основан на измерении напряжения на разомкнутых клеммах батареи. У большинства электрохимических систем аккумуляторов напряжение на разомкнутых клеммах аккумуляторной батареи связано с уровнем ее заряда. Простой способ визуализации уровня заряда батареи основан на том, что напряжение «холостого хода» полностью заряженной батареи максимально и уменьшается по мере разряда батареи. Однако уменьшение напряжения по мере разряда батареи является нелинейным процессом и зависит от температуры, поэтому для получения точных данных о состоянии заряда на основе измерения напряжения на разомкнутых клеммах требуется предварительное определение характеристик батареи.

Одним из преимуществ способа оценки уровня заряда батарей посредством измерения напряжения на разомкнутых клеммах является отсутствие токоизмерительного резистора, что снижает потребляемую мощность.

Обзор алгоритмов ModelGauge

Разработанные компанией Maxim Integrated алгоритмы оценки уровня заряда батареи ModelGauge включают в себя три версии:

  • ModelGauge;
  • ModelGauge m3;
  • ModelGauge m5.

Исходный алгоритм ModelGauge (рисунок 7) осуществляет оценку уровня заряда батареи на основе измеренного на клеммах батареи напряжения, используя при этом известные характеристики батареи и моделирование в реальном масштабе времени. Алгоритм ModelGauge способен оценивать уровень заряда даже в том случае, когда батарея находится под нагрузкой, благодаря чему данный алгоритм сочетает в себе высокую точность оценки с рядом таких дополнительных преимуществ как привлекательная стоимость, малое энергопотребление и минимальные размеры аппаратной реализации.

Алгоритмы ModelGauge m3/m5 являются расширенными версиями ModelGauge и предусматривают непосредственное измерение заряда, протекающего по цепи питания, дополненное измерением напряжения на разомкнутых клеммах (рисунок 8). Известно, что на коротких интервалах времени кулонометрический способ измерения остаточного заряда батареи обеспечивает более высокую точность по сравнению с измерением напряжения на разомкнутых клеммах. Однако на длительных интервалах времени появляется ошибка накопления, приводящая к смещению оценки заряда, что значительно ухудшает точность алгоритма. В алгоритмах ModelGauge m3/m5 предусмотрено периодическое (обычно несколько раз в сутки) измерение истинного значения напряжения на разомкнутых клеммах батареи, что позволяет скорректировать ошибки смещения и получить высокую точность измерений в большинстве применений.

Рис. 7. Принцип работы алгоритма ModelGauge Рис. 8. Принцип работы алгоритма ModelGauge m3

Алгоритм ModelGauge m5 работает аналогично алгоритму ModelGauge m3, но обеспечивает по сравнению с ним более высокую точность, а также имеет дополнительные функции. В их числе – оценка времени до полного заряда (при зарядке), а также функция Cycle+, прогнозирующая старение батареи, посредством которой можно определить момент начала быстрой деградации батареи в конце ее жизненного цикла. Данный алгоритм имеет несколько адаптивных механизмов, позволяющих оценить изменение емкости батареи по мере ее старения. В алгоритм ModelGauge m5 также заложена функция устранения погрешности измерения остаточного заряда батареи в состоянии, близком к ее полному разряду.

Алгоритм ModelGauge m5 способен протоколировать 13 критических параметров в течение всего срока службы батареи. Эти параметры могут быть использованы для анализа отказов при возникновении сомнений в реальном сроке службы батареи или ее производительности.

Также этот алгоритм обеспечивает простой конфигурационный интерфейс. В то время как для алгоритмов ModelGauge и ModelGauge m3 требуются данные, полученные из процесса определения характеристик батареи в заводских условиях, программный интерфейс ModelGauge m5 позволяет пользователю самостоятельно конфигурировать систему, используя основной набор данных об аккумуляторной батарее. Программный интерфейс принимает данные от пользователя и преобразует их в информацию, необходимую для работы алгоритма m5, а затем загружает их в контроллер, реализующий алгоритм m5. Таким образом, устройства ModelGauge m5 EZ могут быть запрограммированы пользователем в его рабочих условиях, обеспечивая высокую точность без углубленного исследования характеристик батареи.

Пример аппаратной реализации алгоритма ModelGauge m5 показан на рисунке 9.

Рис. 9. Реализация алгоритма ModelGauge m5 на базе микросхемы MAX 17201 и аккумуляторной
батареи 1S

Основные преимущества алгоритма ModelGauge m5:

  • быстрый выход изделия на рынок: для устройств с конфигурированием EZ не требуется подробных характеристик батарей или их предварительной калибровки;
  • высокая точность измерений: для корректного отслеживания режима использования батареи не требуется сброса параметров и калибровки батареи, а для измерения емкости батареи не требуется полных заряда и разряда или перевода батареи в свободное состояние;
  • уникальный алгоритм прогнозирования возраста батареи Cycle+ предсказывает срок замены батареи задолго до того, как она потребуется;
  • наивысший уровень защиты от подделок: алгоритм аутентификации SHA-256 в сочетании с 160-битным ключом шифрования существенно затрудняют использование поддельных аккумуляторов;
  • малый ток потребления в режиме пониженного энергопотребления: 9 мкА для MAX17201/MAX17211, 12 мкА – для MAX17205/MAX17215.
Читайте также:  Питание при болезни надпочечников

Сравнительные характеристики контроллеров, реализующих различные версии алгоритма ModelGauge, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики контроллеров, реализующих алгоритм ModelGauge

Наименование MAX17048X MAX17050X MAX172x1X MAX172x5X
Алгоритм ModelGauge ModelGauge m3 ModelGauge m5 ModelGauge m5
Потребляемый ток, мкА 3 25 9 12 мА
Датчик тока Отсутствует Резистор Резистор или проводник печатной платы Резистор или проводник печатной платы
Энергонезависимая память Нет Нет Да + протоколирование жизненного цикла Да + протоколирование жизненного цикла
Алгоритм прогнозирования возраста батареи Нет Нет Cycle+ Cycle+
Конфигурирование EZ Нет Нет Да Да
Аутентификация Нет Нет SHA-256 SHA-256
Количество последовательно
включенных ячеек
1S, 2S (MAX17049) 1S 1S До 15S с балансировкой 2S, 3S

Заключение

Оптимальный выбор стабилизаторов напряжения для питания портативных устройств основан на анализе различных параметров — в первую очередь, распределения энергопотребления в различных режимах работы (профилей питания), собственной мощности потребления стабилизаторов и их габаритных размеров.

Решения компании Maxim Integrated в области питания портативных устройств представляют собой компактные малопотребляющие микросхемы с высокой степенью интеграции, объединяющие на одном кристалле такие функции как зарядка литий-ионных аккумуляторов, интеллектуальная коммутация (мультиплексирование) источников питания, формирование программируемых выходных напряжений.

Особое место в этом ряду занимают контроллеры, реализующие фирменные алгоритмы ModelGauge и ModelGauge m3/m5 для оценки уровня заряда аккумуляторных батарей. Как правило, аккумуляторные батареи требуют замены в течение нескольких лет, так как при старении батарей их характеристики меняются и они уже не в состоянии обеспечивать требуемое время работы портативного устройства. ModelGauge m5 представляет собой надежный алгоритм, который обнаруживает малейшие изменения емкости батареи, чтобы максимально точно предсказать, как долго батарея сможет работать до того как ее емкость начнет быстро уменьшаться. С помощью алгоритма прогнозирования возраста батареи Cycle+, используемого в контроллерах уровня заряда ModelGauge m5, проектировщики систем могут настроить параметры зарядного устройства таким образом, чтобы продлить срок службы батареи или спланировать ее своевременную замену. Надежная криптографическая функция аутентификации, встроенная в алгоритм ModelGauge m5, обеспечивает защиту от клонов фирменных аккумуляторных батарей. Ассортимент изделий компании Maxim Integrated, использующих алгоритм ModelGauge m5, идеально подходит для любых портативных устройств с батарейным питанием, например, для браслетов для фитнеса, планшетов и смартфонов, а также может использоваться в смежных областях — беспилотных летательных аппаратах, портативных устройствах медицинского назначения и различных приложениях Интернета вещей (IoT).

Источник



Подсистема батарейного питания носимых микроконтроллеров на микросхемах фирмы Maxim, часть2

Целью настоящей статьи является ознакомление читателей с проблемами разработки подсистем батарейного питания малогабаритных носимых микроконтроллерных устройств, номенклатурой микросхем преобразователей батарейного питания, а также примерами схемной реализации этих подсистем.

Олег Николайчук «Схемотехника» N1, 2004

В первой части нашей статьи мы выработали предварительные критерии отбора микросхем преобразователей для малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий, а также привели две таблицы, в которые включены предварительно отобранные микросхемы двух групп — с конденсаторным и индуктивным принципами преобразования. Для окончательного анализа и выбора оптимальных вариантов микросхем нам необходимо конкретизировать выработанные критерии для каждой из приведенных групп.

Но прежде, чем рассматривать каждую из групп, конкретизируем общие критерии.

В первой части статьи мы говорили о том, что главным критерием отбора микросхем преобразователей напряжения для малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий является работоспособность при пониженных входных напряжениях, ниже 3 В. Оптимальным вариантом для создания легких носимых конструкций является использование в подсистеме питания всего одного гальванического элемента или аккумулятора. При этом входное напряжение полностью заряженного элемента питания может составлять от 1,43 до 1,55 В в зависимости от типа элемента. В разряженном состоянии входное напряжение для аккумулятора может снизиться до 1,12 В (при этом аккумулятор еще не теряет своей работоспособности), а для гальванического элемента — до 0,7 В.

Для обеспечения минимального веса и объема подсистемы питания мы в первой части статьи выработали еще два предварительных критерия: размеры корпуса и встроенный элемент(ы) коммутации. Для предварительного отбора мы ограничились умышленно завышенным ограничением на число выводов корпуса (16 выводов) исходя из того, что в таких корпусах производители часто оснащают микросхемы преобразователей дополнительными функциональными возможностями, например, одним или двумя дополнительными линейными регуляторами напряжения, датчиками температуры, цепями сброса, датчиками анализа состояния разряда и т. п. Кроме того, мы допустили при отборе, что микросхемы могут иметь самые разнообразные корпуса — чMAX, SSOP, QFP, TSSOP и т. п. На стадии заключительного анализа нам желательно отобрать те микросхемы, которые выпускаются в наиболее миниатюрных корпусах чMAX и SSOP, а также имеют минимальное число внешних элементов.

Напомним, что мы также стремимся создать преобразователь, способный обеспечить выходное напряжение +5 В. При этом большинство микросхем датчиков, для которых это напряжение необходимо, допускают снижение его до величины 4,75 В. Кроме того, мы ограничили минимальный выходной ток проектируемого преобразователя значением 50 мА.

Отметим, что для целей создания подсистем питания малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий с точки зрения минимизации помех, создаваемых преобразователем, более предпочтительными являются конденсаторные преобразователи, чем индуктивные, т. к. последние создают более высокий уровень помех.

Рассмотрим группу конденсаторных преобразователей напряжения. Напомним, что нам удалось отобрать только 11 микросхем, приведенных в табл. 1 первой части статьи.

Во-первых. отметим, что выпускаемые конденсаторные преобразователи могут только удваивать входное напряжение. Следовательно, для получения требуемого выходного напряжения +5 В (здесь и далее это значение будем писать условно с учетом возможного снижения до уровня 4,75 В), необходимо устанавливать два последовательных конденсаторных умножителя. Причем они могут обеспечить требуемое выходное напряжение только при входном напряжении, равном выходному, деленному на четыре, т. е. при напряжении 1,19 В. Кроме того, запуск такого преобразователя гарантируется только при достаточно высоких входных напряжениях (наименьшее напряжение запуска — 1,2 В для микросхемы MAX660 [4]). Это означает, что подсистема питания, использующая микросхему конденсаторного преобразователя, будет гарантированно запускаться только при полностью заряженном аккумуляторе или только при «свежем» гальваническом элементе. Еще одной особенностью конденсаторного преобразователя является наличие достаточно большого числа внешних элементов.

Фактически нашим критериям оптимально соответствует только микросхема MAX660. Принципиальная схема преобразователя на двух таких микросхемах приведена на рис. 1.

Приведенная подсистема питания выполнена в виде двухкаскадного конденсаторного умножителя. Вообще говоря, вторая микросхема может быть и другого типа, т. к. на ее входе уже имеется удвоенное напряжение источника, достаточное для работы практически всех конденсаторных умножителей. Конденсатор С1 необходим для фильтрации входного напряжения при отладке, когда вместо одного элемента питания подключается низковольтный блок питания через довольно длинные соединительные провода. Конденсаторы С2-С5 участвуют в работе конденсаторных умножителей. Они должны иметь одинаковый номинал и указанную емкость для обеспечения заданного выходного тока. Производитель рекомендует использовать танталовые конденсаторы. Поскольку танталовые конденсаторы такой емкости довольно редки, дороги и имеют большой объем, чаще приходится использовать в качестве каждого из них батарею из семи конденсаторов емкостью 22,0 мкФ на 6 В. Таким образом, преобразователь содержит две микросхемы, входной конденсатор С1 и 28 конденсаторов преобразователя. Стоимость двух микросхем у отечественных поставщиков составляет около $7, а стоимость 29 конденсаторов — примерно $6. Таким образом, стоимость элементов приведенного конденсаторного преобразователя составляет около $13. Заметим также, что столь большое число конденсаторов занимает много места на печатной плате и имеет значительный вес. Однако главным недостатком приведенной схемы все же следует считать относительно высокое гарантированное напряжение включения. Еще одним недостатком является относительно высокое напряжение выключения используемых микросхем. По данным некоторых исследователей, около 70 % микросхем выключаются при напряжении 1,1 В, а остальные 30 % сохраняют работоспособность при более низком напряжении. Все приведенные выше недостатки ограничивают области применения подобных преобразователей.

Читайте также:  Диабетическое питание стол 9

Рассмотрим группу преобразователей напряжения с использованием индуктивности. Напомним, что отобранные в ходе предварительного анализа микросхемы приведены в табл. 2 первой части статьи. Конкретизируем критерии для вторичного отбора. Даже беглого ознакомления с табл. 2 первой части статьи достаточно для того, чтобы отметить, что эта группа преобразователей имеет более низкое минимальное входное напряжение, кроме того, для достижения поставленной цели нам будет достаточно использовать только одну микросхему.

Как уже отмечалось выше, предельное напряжение разряженного аккумулятора в большинстве случаев не превышает 1,12 В, что позволяет ограничить вторичный анализ отобранных микросхем только типами, имеющими минимальное входное напряжение, меньшее 1,1 В. Однако, поскольку в этой группе достаточно много микросхем, удовлетворяющих этому критерию, можно ограничиться рассмотрением микросхем и с более низким минимальным входным напряжением, например 0,8 В.

Многие из микросхем преобразователей, использующих индуктивный принцип преобразования, оснащены дополнительными функциональными узлами, о которых мы упоминали выше. В связи с этим ограничимся анализом тех микросхем второй группы, которые имеют корпус с числом выводов 8 или менее, но при этом обладают расширенными функциональными возможностями.

При вторичном анализе будем также отдавать предпочтение тем микросхемам, которые имеют предустановленное выходное напряжение +5 В, а ток обеспечивают, как минимум, с двукратным запасом, т. е. порядка 100 мА.

Рассмотрение табл. 2 первой части статьи с учетом приведенных выше вторичных критериев позволяет выделить несколько групп микросхем.

Микросхемы MAX1674/1675 имеют одинаковые параметры, но отличаются величиной ограничения выходного тока — 1 А для MAX1674 и 0,5 А для MAX1675 [5]. Обе микросхемы имеют фиксированные выходные напряжения 5/3,3 В, выбираемые сигналом на специальном выводе. Кроме того, у этих микросхем имеется встроенный детектор разряда батареи, представляющий собой компаратор, один из входов которого соединен с внутренним опорным напряжением 1,3 В, а выход выполнен по схеме с открытым стоком. Входной ток контроля составляет всего 16 мкА. Микросхемы выпускаются в восьмивыводном малогабаритном корпусе чMAX8. Эффективность микросхем при выходном токе 200 мА достигает 94 %.

Вторая группа микросхем — MAX756/757 [6]. По выходному току и напряжению эти микросхемы соответствуют первой группе, однако они имеют более низкую эффективность (около 78 %) и не имеют встроенного диода Шоттки. Входной ток контроля составляет около 20 мкА. Первая из этих микросхем имеет предустановленные выходные напряжения 5/3,3 В, выбираемые сигналом на специальном выводе. Вторая требует два дополнительных резистора для установки выходного напряжения. Кроме того, у этих микросхем, так же как и у предыдущей группы, имеется встроенный детектор разряда батареи. Микросхемы выпускаются в восьмивыводном корпусе SO8.

Третья группа микросхем — MAX1722/1723/1724 [7]. В отличие от первых двух эта группа микросхем выполнена в малогабаритном пятивыводном корпусе SOT23. Ток контроля составляет всего 1,5 мкА. Выходное напряжение микросхем MAX1722/1723 устанавливается с помощью двух внешних резисторов, а микросхемы MAX1724 выпускаются для четырех номиналов выходного напряжения: 2,7, 3,0, 3,3 и 5 В (обозначения MAX1724EZK27/30/33/50). Микросхема MAX1722 не имеет входа (режима) выключения, а остальные микросхемы имеют. Ни одна из микросхем не имеет встроенного детектора разряда батареи и других сервисных функциональных узлов. Эффективность микросхем при выходном токе 100 мА составляет примерно 90 %.

Четвертую группу составляют четыре микросхемы MAX856/857/858/859 [8]. Все микросхемы имеют повышенный верхний предел входного напряжения — 6 В. Микросхемы MAX856/858 имеют вход установки выходного напряжения +3,3/5 В, а в микросхемах MAX857/859 выходное напряжение устанавливается с помощью внешнего резистивного делителя. Все микросхемы имеют встроенный детектор разряда батареи и не имеют встроенного диода Шоттки. Микросхемы выпускаются в восьмивыводных малогабаритных корпусах SO8 и µMAX8. Эффективность микросхем при выходном токе 100 мА составляет примерно 85 %.

Все рассматриваемые группы микросхем имеют практически одинаковую стоимость, составляющую на отечественном рынке примерно $2,2, так что сопоставление групп по стоимости собственно микросхем проводить не имеет смысла. Фактически разница в стоимости вариантов подсистемы питания, выполненных на микросхемах различных групп, будет определяться стоимостью и числом дополнительных элементов. В этом плане вторая и четвертая группы микросхем (MAX756/757 и MAX856/857/858/859) имеют очень существенный недостаток — отсутствие встроенного диода Шоттки, что соответственно скажется и на стоимости, и на объеме (площади печатной платы) этих подсистем. Кроме того, вторая и четвертая группы имеют невысокую эффективность (78 и 85 % соответственно). Следует также отметить, что первые две группы обеспечивают в два раза большие выходные токи. Приведенные доводы позволяют исключить из рассмотрения вторую и четвертую группы.

Теперь рассмотрим два оставшихся претендента — первую (MAX1674/1675) и третью (MAX1722/1723/1724) группы. Первая группа имеет более высокую эффективность (94 % по сравнению с 90 %) при вдвое большем выходном токе (200 мА по сравнению со 100 мА). Соотношение предельных выходных токов также в пользу первой группы (300 и 150 мА соответственно). Кроме того, первая группа микросхем имеет встроенное ограничение выходного тока (1 А для MAX1674 и 500 мА для MAX1675) и встроенный детектор разряда батареи. Микросхемы третьей группы не имеют этих режимов. В то же время, первая группа имеет больший ток контроля (15 мкА) по сравнению с третьей группой (1,5 мкА) и несколько больший корпус (примерно на 15 % площади печатной платы). Приведенные достоинства первой группы являются более весомыми, а реализация подсистемы питания для малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий на микросхемах этой группы более предпочтительна.

Принципиальная схема подсистемы питания на микросхемах MAX1674 приведена на рис. 2.

Приведенная схема выгодно отличается от конденсаторной подсистемы питания, представленной на рис. 1. Она содержит всего три конденсатора, два их которых (по 47 мкФ) мы заменим на два параллельно соединенные конденсатора емкостью 22 мкФ. Два резистора R1 и R2 выбираются из расчета того, что при пороговом напряжении батареи +UBAT, которое мы хотим определять, напряжение на входе LBI должно быть на несколько милливольт выше, чем опорное напряжение REF (1,3 В). Кроме того, желательно, чтобы каждый из резисторов был не менее 100 кОм. Следует отметить некоторые особенности микросхемы. В случае, если вход FB соединен с общим проводом питания, выходное напряжение соответствует +5 В. Если этот вход соединить с выходом OUT, на нем установится выходное напряжение +3,3 В. Если же между выходом OUT и общим проводом GND установить резистивный делитель и его среднюю точку соединить со входом FB, на выходе можно установить любое выходное напряжение в диапазоне от 2 до 5,5 В. Вход SHDN/ (переход в режим энергосбережения, т. е. отключение нагрузки) здесь не используется и по рекомендации производителя соединен с выходом. Вообще говоря, при напряжении на этом входе, превышающем 80 % от входного, микросхема работает в нормальном режиме. При подаче на этот вход напряжения ниже, чем 20 % от входного, микросхема переходит в режим энергосбережения. Выход микросхемы LBO/ (низкое напряжение батареи) выполнен с открытым стоком. Рекомендуется его соединять с выходом OUT резистором с номиналом не менее 100 кОм. В преобразователе рекомендуется использовать дроссель индуктивностью 47 мкГн, при этом изготовителем гарантируется выходной ток не ниже 300 мА, при использовании дросселя 22 мкГн выходной ток будет не менее 120 мА, а при 10 мкГн — не менее 70 мА. Все элементы в SMD исполнении занимают не более 1,3 см2 площади печатной платы (при односторонней установке элементов). Ориентировочная стоимость элементов подсистемы не превышает $7.

Таким образом, как мы видим из сопоставления двух полученных групп (см. рис. 1 и 2), вариант с использованием индуктивности обладает неоспоримыми преимуществами. Он занимает меньшую площадь на печатной плате, имеет меньшее число элементов и вес и почти в два раза меньшую стоимость. Этот вариант имеет преимущества и по рабочим характеристикам (току и минимальному входному напряжению), и по функциональным возможностям (ограничение выходного тока, детектор разряда батареи, режим выключения выхода). Следовательно, подсистема питания, реализованная на базе микросхемы MAX1674 фирмы Maxim (рис. 2), является оптимальной для малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий.

Источник