Uk³ady steruj¹ce ³adowaniem akumulatorów

Transkrypt

1 Uk³ady steruj¹ce ³adowaniem akumulatorów Miros³aw Sokó³ Coraz wiêcej urz¹dzeñ elektronicznych jest zasilanych z akumulatorów niklowo-kadmowych (NiCd), niklowo-wodorkowych (NiMH) lub litowych. Wymieniæ tu mo na przenoœne komputery i przenoœne terminale komputerowe, telefony komórkowe, telefony bezprzewodowe, radiotelefony, przenoœny sprzêt radiowy, w tym odtwarzacze CD, walkmany i odtwarzacze minidysków, kamery wideo, aparaty fotograficzne, odtwarzacze MP, wiertarki akumulatorowe itd. Tak szerokie zastosowanie akumulatorów oraz z³o onoœæ procesu ich ³adowania spowodowa³o koniecznoœæ opracowania specjalnych uk³adów steruj¹cych tym procesem. Uk³ady steruj¹ce ³adowaniem akumulatorów produkowane s¹ przez wiele firm, takich jak: Philips, National Semiconductor, Texas Instruments, Linear Technology, Motorola itd. Znanym producentem tego typu uk³adów jest firma MXIM maj¹ca w swojej ofercie zarówno uk³ady do tanich ³adowarek, jak i uk³ady do ³adowarek uniwersalnych sterowanych przez mikroprocesor. W artykule opisano popularne uk³ady scalone tej firmy i steruj¹ce ³adowaniem akumulatorów NiCd i NiMH. Nie s¹ to najnowsze uk³ady, lecz na podstawie ich opisu mo na dok³adnie poznaæ problematykê zwi¹zan¹ z ³adowaniem akumulatorów zasadowych. Uk³ady i (rysunek i tabela ) s¹ wyspecjalizowanymi uk³adami do sterowania szybkim ³adowaniem akumulatorów NiCd i NiMH. Podczas ³adowania kontroluj¹ one: pr¹d ³adowania, napiêcie ogniwa, temperaturê akumulatora i temperaturê, czas ³adowania. Po szybkim ³adowaniu du ym pr¹dem w³¹czaj¹ one pod³a- dowywanie ma³ym pr¹dem. Podczas szybkiego ³adowania istotne jest okreœlenie momentu zakoñczenia ³adowania i tym ró - ni¹ siê te dwa uk³ady: - przerywa ³adowanie, gdy napiêcie na akumulatorze przestaje przyrastaæ odpowiednio szybko, - przerywa ³adowanie, gdy napiêcie na akumulatorze po pe³nym na³adowaniu zaczyna spadaæ. Zalet¹ uk³adów / jest to, e mog¹ byæ zasilane z napiêcia tylko o.5v wy szego od maksymalnego napiêcia ³adowanego akumulatora. Mog¹ one ³adowaæ jednoczeœnie od 6 ogniw po³¹czonych szeregowo z szybkoœci¹ ³adowania od C/ 4C (szybkoœæ ³adowania np. 4C oznacza, e akumulator zostanie na³adowany w ci¹gu /4 godziny). Po zakoñczeniu szybkiego ³adowania uk³ad automatycznie w³¹cza pod³adowywanie z szybkoœci¹ C/6. Poza okresem ³adowania uk³ad pobiera z akumulatora bardzo ma³y pr¹d - oko³o 5. Wewn¹trz uk³adu umieszczono stabilizator +5V dla uk³adów logicznych (rys.) oraz uk³ady okreœlaj¹ce zakoñczenie szybkiego ³adowania: przetwornik analogowo-cyfrowy wykrywaj¹cy zbocze napiêcia, komparator okienkowy temperatury wykrywaj¹cy przekroczenie temperatury - n.5 7, timer wyznaczaj¹cy czas ³adowania. Regulator pr¹du i napiêcia wykrywa do³¹czenie akumulatora oraz decyduje o pr¹dzie i napiêciu ³adowania. Omawiane uk³ady pracuj¹ z wymuszaniem sta³ego pr¹du akumulatora i z dwoma stanami: szybkiego ³adowania lub do³adowywania. Uk³ady / s¹ montowane w 6-wyprowadzeniowych obudowach DIP lub SO, a do zastosowañ specjalnych w obudowach CERDIP. plikacja tych uk³adów nie wymaga wielu elementów, co widaæ z typowej aplikacji pokazanej na rys.. W zastosowaniach wymagaj¹cych ograniczenia wydzielanej mocy uk³ady / mog¹ pracowaæ jako ³adowarki impulsowe. WLL CUBE µf R C µf R 68k k C4.µF C.µF R 5 BTT+ Q N69 D - N4 BTTERY BTT+ PGM PGM FSTCHG 8 C µf LOD PGM PGM TIMER V DETECT. PGM V_DETECT ERTURE COMPRTORS CONTROL LOGIC +5V SHUNT REGULTOR POWER_ON_RESET FST_CHRGE IN_REGULTION UNDER_VOLTGE CELL_VOLTGE N CURRENT ND VOLTGE REGULTOR FSTCHG PGM 9 PGM DIP/SO PGM TIMED_OUT.4V BTT+ PGM PGM Rys.. Typowa aplikacja, opis wyprowadzeñ ischemat blokowy uk³adów /.

2 Opis wyprowadzeñ uk³adów / Tabela. Opis wyprowadzeñ uk³adów i Nr Symbol Opis funkcji wejœcie ustawiania maks. napiêcia ogniw BTT+ dodatni biegun akumulatora PGM wejœcie do programowania liczby ogniw 4 PGM wejœcie do programowania liczby ogniw 5 górne napiêcie odniesienia komparatora temperatury 6 dolne napiêcie odniesienia komparatora temperatury 7 wejœcie czujnika temperatury 8 FSTCHG wyjœcie wskazuj¹ce szybkie ³adowanie 9 PGM wejœcie do programowania maks. czasu ³adowania PGM wejœcie do programowania maks. czasu ³adowania oraz stosunku pr¹dów szybkiego ³adowania i do³adowywania wejœcie kompensacji regulatora pr¹du dodatni biegun akumulatora masa 4 wyjœcie steruj¹ce Ÿród³o pr¹dowe z tranzystorem PNP 5 wyjœcie stabilizatora +5V 6 napiêcie odniesienia.v Opis wyprowadzeñ uk³adów / znajduje siê w tabeli. Poni ej zawarto uwagi do tej tabeli: (n.) - je eli jest po³¹czone z, to napiêcie na akumulatorze nie przekroczy napiêcia.65v liczba ogniw. W pozosta³ych przypadkach napiêcie to nie przekroczy VLI- MIT liczba ogniw ( <.5V). PGM, PGM (n., 4) - wejœcia do programowania liczby od 6 ³adowanych ogniw po³¹czonych szeregowo - programowanie poprzez ³¹czenie ich z napiêciami,, lub pozostawienie ich niepod³¹czonych - tabela. (n.5) - je eli napiêcie na n.7 przekroczy napiêcie, to szybkie ³adowanie akumulatora zostanie przerwane. (n.6) - je eli po w³¹czeniu ³adowarki napiêcie na n.7 jest ni sze od napiêcia, to szybkie ³adowanie akumulatora zostanie zablokowane do czasu, a napiêcie przekroczy napiêcie. PGM, PGM (n.9, ) - wejœcia do programowania maksymalnego czasu ³adowania ustawianego w zakresie od 64 minut - tabela. Wejœcie PGM s³u y ponadto do programowania stosunku pr¹dów szybkiego ³adowania i do- ³adowywania - tabela 4. Tabela 4. Zale noœæ pr¹du do³adowania od pod³¹czenia PGM PGM Szybkoœæ ³adowania Pr¹d do³adowania 4C I FST/64 open C I FST/ C I FST/6 C/ I FST/8, (n., ) - rezystor w³¹czony miêdzy tymi wejœciami s³u y do kontroli pr¹du p³yn¹cego przez akumulator. Charakterystyki ³adowania akumulatorów Na rysunku pokazano typowe przebiegi ³adowania akumulatorów: a) adowanie z kontrol¹ zbocza napiêcia. Charakterystyka pokazana na rys. a pokazuje przebieg ³adowania po umieszczeniu roz³adowanego akumulatora w ³adowarce od³¹czonej od zasilania. W okresie ³adowarka pobiera z akumulatora pr¹d oko³o 5. Po w³¹czeniu zasilania (okres ) sygna³ RESET (rys. - POWER ON RESET) wstrzymuje szybkie ³adowanie - akumulator jest do³adowywany tak d³ugo, a osi¹gnie.4v na ogniwo. Po zanikniêciu sygna³u RE- SET i po przekroczeniu napiêcia blokowania (.4V na ogniwo) w³¹cza siê szybkie ³adowanie (okres ). Po wykryciu opadaj¹cego zbocza napiêcia na akumulatorze uk³ad koñczy szybkie ³adowanie i przechodzi do do³adowywania Tabela. Programowanie liczby ogniw Liczba ogniw Wejœcie PGM Wejœcie PGM Tabela. (min) Programowanie maksymalnego czasu ³adowania Odstêp próbkowania /C (s) Ogranicz. zbocza ³adowania Wejœcie PGM Wejœcie PGM wy³¹czone w³¹czone wy³¹czone w³¹czone 45 4 wy³¹czone 45 4 w³¹czone 66 4 wy³¹czone 66 4 w³¹czone 9 84 wy³¹czone 9 84 w³¹czone 84 wy³¹czone 84 w³¹czone 8 68 wy³¹czone 8 68 w³¹czone wy³¹czone w³¹czone

3 Napiêcie ogniwa (V) a) adowanie z kontrol¹ zbocza napiêcia b) adowanie z kontrol¹ temperatury c) adowanie z do³¹czaniem akumulatora.5 V =.4..4 m Napiêcie 4 5. Brak zasilania ³adowarki. Napiêcie ogniwa ni sze od.4v. Szybkie ³adowanie 4. Do³adowywanie 5. Wy³¹czone zasilanie ³adowarki ogniwa ogniwa m 4. Brak zasilania ³adowarki. ogniwa zbyt niska. Szybkie ³adowanie 4. Do³adowywanie Rys.. Typowe przebiegi ³adowania. Napiêcie ogniwa (V).5.4. m 4. kumulator nie do³¹czony. Szybkie ³adowanie. Do³adowywanie 4. kumulator od³¹czony (okres 4). Po wy³¹czeniu zasilania ³adowarki napiêcie na ogniwie spada do oko³o.v (okres 5). b) adowanie z kontrol¹ temperatury. Charakterystyka pokazana na rys. b pokazuje przebieg ³adowania po umieszczeniu roz³adowanego i zimnego akumulatora w ³adowarce od³¹czonej od zasilania. W okresie ³adowarka pobiera z akumulatora pr¹d oko³o 5. Po w³¹czeniu zasilania (okres ) zbyt niska temperatura akumulatora wstrzymuje szybkie ³adowanie - akumulator jest do³adowywany tak d³ugo, a osi¹gnie temperaturê. Po przekroczeniu przez akumulator temperatury w³¹cza siê szybkie ³adowanie (okres ). Po wykryciu przekroczenia przez akumulator granicznej temperatury uk³ad wy³¹cza szybkie ³adowanie i przechodzi do do³adowywania (okres 4). c) adowanie z do³¹czaniem akumulatora. Charakterystyka pokazana na rys. c pokazuje przebieg ³adowania po umieszczeniu akumulatora w ³adowarce do³¹czonej do zasilania. W okresie ³adowarka utrzymuje na wyjœciu napiêcie stabilizowane równe napiêciu liczba zaprogramowanych ogniw. Po umieszczeniu w ³adowarce akumulatora wykrywany jest przep³yw pr¹du przez akumulator i w³¹cza siê szybkie ³adowanie (okres ). Po stwierdzeniu pe³nego na³adowania uk³ad przechodzi do do³adowywania (okres ). Po wyjêciu akumulatora z ³adowarki (okres 4) napiêcie na wyjœciu jest takie, jak w okresie. R R Q N94 D Warunki pracy uk³adów i a) Zasilanie. Uk³ady / bez do³¹czonego zasilania s¹ nieaktywne i pobieraj¹ z do³¹czonego akumulatora znikomy pr¹d rzêdu 5. Do kolektora tranzystora Q (rys.) do³¹czona jest dioda D zabezpieczaj¹ca przed pop³yniêciem pr¹du od akumulatora do wyprowadzenia uk³adu. Po w³¹czeniu zasilania poprzez rezystor R ³adowany jest kondensator C do napiêcia +5V. Wówczas zaczyna dzia³aæ wewnêtrzny stabilizator uk³adu i rozpoczyna siê proces szybkiego ³adowania. Proces ten trwa do momentu wyst¹pienia któregoœ z warunków zakoñczenia ³adowania. Je eli napiêcie zasilania przekracza V, to dla zabezpieczenia uk³adu scalonego stosowany jest uk³ad kaskody pokazany na rys.. b) Szybkie ³adowanie w³¹cza siê, gdy: po w³¹czeniu zasilania ³adowarki napiêcia s¹ odpowiednio: - U > U - wykrycie przep³ywu pr¹du przez akumulator, - U > U - stwierdzenie, e akumulator ma odpowiedni¹ temperaturê, - U ogniwa > U UVLO - stwierdzenie, e akumulator nie jest zupe³nie roz³adowany. po do³¹czeniu akumulatora napiêcia s¹ odpowiednio: - U > U > U - stwierdzenie, e akumulator ma odpowiedni¹ temperaturê, - U ogniwa > U UVLO - stwierdzenie, e akumulator nie jest zupe³nie roz³adowany. Podczas szybkiego ³adowania wartoœæ rezystora ma decyduj¹cy wp³yw na wartoœæ pr¹du ³adowania. Uk³ad utrzymuje sta³y spadek napiêcia na tym rezystorze na poziomie 5mV poprzez zmianê pr¹du z wyjœcia. c) Do³adowywanie. Pr¹d do³adowywania zale y od wybranej szybkoœci szybkiego ³adowania. Dla podanych w tabeli 4 Q FSTCHG k k Q D R7 BTTERY Rys.. Wyjœcie z uk³adem kaskody. Rys.4. Uk³ad redukuj¹cy pr¹d do³adowywania akumulatora NiMH.

4 a) akumulator mo e byæ od³¹czany od pracuj¹cej ³adowarki bez zmiany napiêcia zasilania obci¹ enia, b) pr¹d akumulatora bêdzie stabilizowany niezale nie od pr¹du p³yn¹cego przez obci¹ enie. X OPEN D CURRENT-SENSE MPLIFIER PGM FST_CHRGE v CELL_VOLTGE C Tabela przejœæ stanu ³adowania W tabeli 5 pokazano wszystkie przypadki zmiany stanu na szynach wewnêtrznych uk³adów / (rys.) i skutki tych zmian dla pracy ³adowarki. Uwagi do tabeli 5: wystêpuj¹ tylko dwa stany: szybkiego ³adowania i do³adowywania, niezale nie od stanu innych szyn steruj¹cych, ka de opadaj¹ce zbocze szyn, TIME OUT i delta V DETECT spowoduje w³¹czenie do³adowywania..5v IN_REGULTION Rys.5. Regulacja pr¹du i napiêcia. szybkoœci ³adowania wartoœæ pr¹du do³adowania odpowiada szybkoœci ³adowania C/6. Pr¹d do³adowywania jest regulowany w uk³adzie pokazanym na rysunku 5 w ten sposób, aby poprzez zmianê wzmocnienia wzmacniacza pr¹du zapewniæ sta³y spadek napiêcia na rezystorze. Dla akumulatorów NiMH mo e zachodziæ koniecznoœæ zmniejszenia pr¹du do³adowywania. Uzyskuje siê to w uk³adzie pokazanym na rysunku 4. Podczas do³adowywania czêœæ pr¹du bêdzie omijaæ akumulator i przep³ywaæ do rezystora przez tranzystor Q. Regulacja pr¹du i napiêcia W uk³adach / zastosowano pêtle regulacji napiêcia i pr¹du (rys.5). Pêtla pr¹dowa. Pêtla regulacji pr¹du bazuje na pomiarze ró nicy napiêæ miêdzy wejœciami (n.) i (n.). Pr¹d z wyjœcia jest ograniczany gdy: - napiêcie wyjœciowe przekracza napiêcie pomno- one przez liczbê ogniw, - pr¹d p³yn¹cy przez akumulator przekracza zaprogramowany pr¹d ³adowania. Pêtla napiêciowa. Pêtla regulacji napiêcia bazuje na pomiarze ró nicy napiêæ miêdzy wejœciami (n.) i BTT+ (n.). Napiêcie na akumulatorze jest ograniczane na podstawie wybranego napiêcia. Gdy: - napiêcie <.5V, to U BTT = liczba ogniw, - napiêcie =, to U BTT =.65V liczba ogniw. Gdy akumulator zostanie od³¹czony od ³adowarki, to nie jest wymuszany pr¹d, a napiêcie na kontaktach ³adowarki jest stabilizowane, zgodnie z tym co podano powy ej. W przypadku ³adowania akumulatora z dodatkowym obci¹ eniem (rys. - LOD) pêtle regulacji pozwalaj¹ na realizacjê nastêpuj¹cych funkcji: Tabela 5. Tabela przejœæ stanu ³adowania POWER UNDER IN REGU- ON RESET VOLTGE LTION Skutek X X X do³adowywanie X X bez zmian X X bez zmian X X bez zmian szybkie ³adowanie bez zmian bez zmian szybkie ³adowanie szybkie ³adowanie szybkie ³ad. * ) X X do³adowywanie szybkie ³adowanie X do³adowywanie X do³adowywanie *) Je eli po w³¹czeniu zasilania ³adowarki akumulator jest zimny, to pierwsze narastaj¹ce zbocze na szynie w³¹czy szybkie ³adowanie; jednak e drugie narastaj¹ce zbocze nie wywo³a skutku. Przetwornik analogowo-cyfrowy Uk³ady / wyposa ono w przetwornik analogowo-cyfrowy o rozdzielczoœci.5mv, próbkuj¹cy i zapamiêtuj¹cy napiêcie akumulatora w odstêpach czasu podanych w tabeli. Ró nica napiêæ zapamiêtanych w kolejnych odstêpach czasu s³u y do wyznaczania zbocza napiêcia w funkcji czasu. Uzyskane wyniki ulegaj¹ uœrednieniu w ci¹gu 5ms, co zapewnia wyeliminowanie wp³ywu zak³óceñ na wynik przetwarzania. Uk³ady koñcz¹ ³adowanie akumulatora, gdy wynik przetwarzania analogowo-cyfrowego jest: dla - równy poprzedniemu, dla - mniejszy o wiêcej ni.5mv od poprzedniego. Komparatory temperatury Uk³ady / mog¹ wykrywaæ zbyt nisk¹ lub zbyt wysok¹ temperaturê akumulatora i po do³¹czeniu termistorów do wejœæ i (rys.6). Termistory T i

5 akumulatora +.V.µF R5 T.µF T T µf +.V R.µF T T.µF R5 µf T R a) Rozwi¹zanie standardowe akumulatora Rys.6. Sposoby do³¹czania termistorów do wejœæ komparatorów temperatury. b) Rozwi¹zanie dla termistora po³¹czonego z T powinny mieæ ten sam wspó³czynnik temperaturowy i tê sam¹ wartoœæ. Termistor T powinien byæ termicznie sprzê ony z akumulatorem. Gdy akumulator ma temperaturê równ¹ temperaturze, to napiêcie na wejœciu wynosi V.. Napiêcie ustawione na wejœciu wyznacza próg wy³¹czania szybkiego ³adowania. Gdy napiêcie na wejœciu przekroczy napiêcie na wejœciu, to szybkie ³adowanie zostanie przerwane do czasu a U < U.. Napiêcie ustawione na wejœciu wyznacza próg, poni ej którego szybkie ³adowanie jest blokowane. Je eli w momencie w³¹czania ³adowarki napiêcie na wejœciu przekroczy napiêcie na wejœciu, to szybkie ³adowanie zostanie zablokowane do czasu a U > U. by wy³¹czyæ (rys.6): komparator od zbyt niskiej temperatury - nale y usun¹æ T, R5, C5 i po³¹czyæ wejœcie z, wszystkie komparatory - nale y usun¹æ T T, R R5, C5 C7 i po³¹czyæ wejœcia z, z i z. Je eli akumulator ma termistor po³¹czony z biegunem ujemnym, to stosowane jest rozwi¹zanie z rys.6b. Je eli pomiar temperatury akumulatora nie jest odnoszony do temperatury, to termistory T i T s¹ zastêpowane przez rezystory. adowarka impulsowa adowarki impulsowe stosuje siê wówczas, gdy konieczne jest ograniczenie mocy wydzielanej w tranzystorze wykonawczym M ³adowarki. W prostej ³adowarce pokazanej na rys.7 do zrealizowania pracy impulsowej wykorzystano wzmacniacz b³êdu uk³adu (wejœcia - n.) oraz w szereg z akumulatorem do³¹czono cewkê indukcyjn¹ L. Czêstotliwoœæ pracy ³adowarki impulsowej zale y od pojemnoœci kondensatora C i w opisywanym uk³adzie wynosi oko³o khz. Uk³ad zosta³ zaprojektowany do ³adowania dwóch ogniw NiCd pr¹dem. W przypadku ³adowarki impulsowej do uk³adu nie mo e zostaæ do³¹czone obci¹ enie akumulatora. Zmiana pr¹du ³adowania i liczby ³adowanych ogniw jest mo liwa poprzez zmianê wartoœci rezystora i poprzez prze³¹czanie wejœæ PGM PGM, zgodnie z tabelami i. Napiêcie wej- 8V 5V Q4 CMPT6 FST CHRGE C µf V C5 µf 5V D4 LHM8 (dioda ograniczaj¹ca pr¹d do8m) R6 68k R7 k R5 47 C4.µF C6 µf 5V R 5.k PGM 4 BTT+ PGM 9 PGM PGM 6 TLD 6 7 FSTCHG C µf 5V Rys.7. Schemat prostej ³adowarki impulsowej. BTT + BTT œciowe ³adowarki z rys. 7 zawiera siê w zakresie od 8 5V i musi byæ wiêksze o co najmniej V od szczytowego napiêcia akumulatora w czasie szybkiego ³adowania. Na rysunku 7 pokazano przebiegi wystêpuj¹ce w uk³adzie. Przebieg prostok¹tny z wyjœcia poprzez klucz na tranzystorach Q, Q wysterowuje klucz ³adowania na tranzystorze M. Po przejœciu przez cewkê indukcyjn¹ uzyskuje siê na wejœciu przebieg pi³okszta³tny napiêcia i pr¹du ³adowania o zadanej wartoœci œredniej. Przebieg prostok¹tny na wyjœciu mo e mieæ czêstotliwoœæ od khz i zmienne wype³nienie zale ne od warunków pracy uk³adu, to znaczy od: iloœci zaprogramowanych ogniw, wymaganego pr¹du ³adowania, napiêcia zasilania. } 8 M IRFR94 Q D CMPT6 MBRS4T L Q D4 N97 µh R.5 C pf D MBRS4T x m-hr NiCd CELLS