Контроль в спящем режиме: повышение КПД батарейного питания с помощью DC/DC MAX17225 nanoPower

21 ноября

автомобильная электроникауправление питаниеммедицинапотребительская электроникаавтоматизацияинтернет вещейMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Вадим Каплунов (г. Санкт-Петербург)

Производитель – Maxim Integrated Products – позиционирует серию интегральных DC/DC с предельно низким током покоя NanoPower как решение, позволяющее серьезно повысить КПД изделий с автономным электропитанием. Так ли это? В статье описано практическое решение на базе представителя семейства MAX17225, экспериментальная установка для его испытания и результат этого испытания.

Повышающие преобразователи – важный компонент для устройств, имеющих автономный режим работы. Повышение срока работы автономного устройства – рядовая задача для инженера-разработчика. Есть несколько стратегий разработки для решения этой задачи. В первую очередь на ум приходит стратегия по увеличению емкости химического источника тока (ХИТ). Однако, смена ХИТ – редкое мероприятие для устройства. Часто условия эксплуатации и потребительские характеристики продукта определяют габариты и конфигурацию ХИТ.

Другая стратегия – совершенствование аппаратной составляющей устройства: установите или замените DC/DC-преобразователь, преобразующий энергию ХИТ для потребителей. С целью повышения средней эффективности работы преобразователя попытаемся найти такой вариант, который работает с КПД больше 80% на разных режимах работы устройства. Рассмотрим пример работы устройства от алкалиновой батарейки с напряжением холостого хода 1,5 В при начале эксплуатации для питания нагрузки 3 В.

В нашем автономном устройстве – два режима работы:

  • Активный режим, при котором потребление нагрузки составляет десятки миллиампер в течение единиц миллисекунд. Устройство выполняет заложенные в нем функции, для выполнения которых важно обеспечить потребителей стабилизированным напряжением. При набросе нагрузки нельзя допускать падения напряжения питания в диапазоне нескольких процентов, иначе у ряда потребителей будет детектировано событие «плохое питание», приостанавливающее работу.
  • Режим сна – период между двумя активными режимами, при котором потребление устройства является минимальным. В этом режиме потребитель переводится в режим минимального потребления. Суммарное потребление может составляет от единиц до десятков микроампер. Точной стабилизации преобразователя для этого режима не требуется. Важно, чтобы устройство не пропустило событие, по которому оно должно проснуться и перейти в активный режим. С аппаратной точки зрения необходимо минимизировать ток потребления в этом режиме. Преобразователь DC/DC – не исключение, так как в данном режиме он все так же потребляет энергию нашей батарейки.

Тут разработчик заметит противоречие: для работы в активном режиме нужна обратная связь, позволяющая преобразователю реагировать на изменение нагрузки.

Для повышения качества стабилизации необходимо снижать величину сопротивления резисторов обратной связи, чтобы позволить сравнивающему устройству работать с большими токами и на большей частоте. Но это приводит к росту потребления самого DC/DC-преобразователя в режиме сна из-за сквозного тока через обратную связь. Пренебречь потреблением в 10…30 мкА при потреблении нагрузки в 10…30 мА можно. В режиме сна мы видим обратную картину. Потребление на сквозной ток DC/DC-преобразователя 10…30 мкА при потреблении нагрузки в 1…10 мкА означает, что на работу DC/DC-преобразователя устройство тратит столько же, сколько и на все остальное устройство, или в 30 раз больше.

Дополнительно отметим, что широкодоступные преобразователи имеют малый КПД в диапазоне потребления 1…30 мкА. У некоторых решений эта величина составляет 20%, при том что КПД достигает более 90% при потреблении уже в единицы миллиампер. Проявляется это в том, что батарейка теряет значительную часть энергии при нахождении устройства в спящем режиме.

С решением этой проблемы поможет справиться семейство nanoPower производства компании Maxim Integrated, например MAX17225 (рисунок 1).

Рис. 1. Схема подключения MAX17225

Рис. 1. Схема подключения MAX17225

Отличительные черты микросхемы

В микросхеме MAX17225 техническое противоречие, описанное выше, решено следующим образом: обратная связь отключается от выходного напряжения, после чего DC/DC поддерживает КПД > 80% при малых токах работы. При этом сохранена обратная связь для активного режима, что стабилизирует питание на нагрузке с заданной точностью. При этом, согласно технической документации, собственное потребление преобразователя составляет 600 нА.

КПД в активном режиме больше 90% – это результат совершенствования boost-преобразователя.

Дополнительно отметим корпуса, в которых выпускается микросхема – это uDFN-6 и WLP-6. В сегменте недорогих портативных устройств корпус uDFN востребован благодаря тому что не повышает стоимость стандартных норм производства печатных плат. Технически на стандартные нормы производства может претендовать и корпус WLP-6, но трассировщикам печатных плат придется некоторое время поработать над допусками и размерами посадочного места.

Обратим внимание на площадь решения вместе с обвязкой. Микросхема требует в обвязке два керамических конденсатора типоразмера 0805 и индуктивность типоразмера 0805 (рисунок 2). Технически с корпусом WLP-6 расположение преобразователя занимает 21 мм2. Сократить и эту площадь помогут конденсаторы меньших типоразмеров, но это повлечет за собой снижение КПД, о чем подробнее изложено далее.

Рис. 2. MAX17225 с необходимыми для работы компонентами на печатной плате

Рис. 2. MAX17225 с необходимыми для работы компонентами на печатной плате

Нагрузочная кривая работы микросхемы, снятая во время тестирования, показывала работу преобразователя при токе в 150 мА и входном напряжении 1,5…0,9 В. При этом наблюдалось снижение выходного напряжения микросхемы в зависимости от входного напряжения. Представить большее потребление в домене 3 В можно, но обычно это подразумевает отдельный DC/DC-преобразователь для передачи большего тока части нагрузки. В этом тестировании наблюдался нагрев микросхемы. При выходе микросхемы на тепловой режим отмечалось, что температура повышалась до уровня более 60ºС при нагрузке выше 100 мА. При кратковременных активных режимах это не составляет проблемы, так как у микросхемы, компонентов и печатной платы теплоемкость ограничивает скорость роста температуры, а после кратковременного активного режима идет режим сна, в котором компоненты охлаждаются посредством естественной конвекции. Если сравнивать доступные корпуса микросхемы, то корпус uDFN имеет большие размеры, а значит, и отводить тепло, в случае необходимости, от него проще.

Напряжение запуска микросхемы

Дополнительный фактор, увеличивающий время работы от ХИТ – малое значение напряжения запуска и работы микросхемы. В тестах нам удавалось запускать MAX17225 при разряженной до 0,6 В алкалиновой батарейке. Выигрыш, по сравнению с предыдущими преобразователями, составил 0,3…0,4 В. С точки зрения остаточной энергии ХИТ это составляет 5…10%. Но эта особенность снижает диапазон, в котором в активном режиме не происходит сброс питания при включении нагрузки из-за внутреннего сопротивления батарейки и защитной схемы. Ситуация, при которой устройство включается, но выполнить функции не может, часто встречается в электронных устройствах. При напряжениях ниже 0,6 В у алкалиновой батарейки не остается емкости (менее 2% от начальной емкости) и борьба за дальнейшее снижение порога запуска возможна, но с энергетической точки зрения это менее выгодно.

Борьба с переполюсовкой

Выявленной проблемой у MAX17225 для нашего применения стало отсутствие защиты от переполюсовки. В нашем устройстве вставить батарейку не тем полюсом не составляет труда. Если не принимать дополнительных мер, то в ключе, коммутирующем индуктивность на цепь GND, образуется паразитный диод, что приводит к протеканию ограниченного микросхемой, индуктивностью и печатной платой тока и выходу микросхемы из строя. В силу того, что изменить корпусные детали или батарейные контакты не представлялось возможным, было придумано техническое решение, представленное на рисунке 3.

Рис. 3. Схема разработанного решения

Рис. 3. Схема разработанного решения

Здесь мы осознанно отрываем землю у устройства N-канальным полевым транзистором, подключая затвор к самому высокому напряжению в схеме. В таком включении транзистор открыт, и при нормальных условиях работы добавляет к схеме последовательное сопротивление ниже 45 мОм. Эта величина пренебрежимо мала по сравнению с внутренним разбросом сопротивлений ХИТ, используемым в качестве питания устройства.

Важно рассмотреть момент запуска устройства. Вначале транзистор закрыт, и ток в схему протекает через резистор 1 кОм и диод, параллельный полевому транзистору. MAX17225 начинает запускаться и повышает напряжение на затворе полевого транзистора, снижая его сопротивление. При напряжении, близком к 3 В, остальная часть схемы запускается без просадки по напряжению. Резистор 1 кОм необходим для того чтобы схема запускалась на малых значениях напряжения (вплоть до 0,6 В).

Разрывать общий провод устройства и отрицательную клемму питания – не лучшая идея, она приводит к паразитным утечкам цифровых или аналоговых интерфейсов устройства, что вызывает паразитную запитку устройства, нестабильную работу или выход схемы из строя. В рассматриваемом случае устройства лишены цифровых и аналоговых интерфейсов. Данные о состоянии устройство передает через радио и другие беспроводные технологии.

Описание экспериментальной установки

На первый взгляд параметры, указанные в технической документации, выглядели многообещающе. В готовом устройстве и в ходе отладки результаты работы отличаются. Связанно это с используемыми компонентами и адаптацией списка компонентов под массовое производство. Чтобы получить точные цифры по потреблению MAX17225 в активном режиме и режиме сна при наличии схемы защиты от переполюсовки и компонентной базе, унифицированной с массовым производством других устройств, было решено собрать прототипы и на них испытать DC/DC-преобразователь. В этот момент мы столкнулись с проблемой точности измерительного оборудования в требуемом диапазоне и поняли, что необходим набор высокоточных мультиметров для измерения параметров работы автономных устройств. Решением этой проблемы стал перенос четырех настольных мультиметров для полного контроля входного и выходного напряжений и тока на один рабочий стол, сборка резистивной нагрузки, состоявшей из 12 потенциометров по 50 кОм и неделя времени на проверку и расчет метрологического обеспечения схемы. В результате получилась установка, изображенная на рисунке 4.

Рис. 4. Собранная экспериментальная установка

Рис. 4. Собранная экспериментальная установка

В данной установке использовались поверенные мультиметры, прошедшие перекрестную проверку перед началом испытаний: Keysight 34465a, Agilent 34410a, Agilent 34405 и Rigol DM3058e. Схема установки приведена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема установки для измерения КПД в режиме малых токов

Рис. 5. Схема установки для измерения КПД в режиме малых токов

Измеренные данные

Результат проведения исследования «Измерить КПД преобразователя в диапазоне единиц микроампер» приведен на рисунке 6.

Рис. 6. КПД преобразователя в режиме малых токов

Рис. 6. КПД преобразователя в режиме малых токов

Учтены токи утечки компонентов обвязки и изменения вносимые измерительной схемой:

  • токи утечки входных и выходных конденсаторов;
  • токи утечки вольтметров;
  • падение напряжения на амперметре (учтено схемой).

Для подробного понимания токов утечки на рисунке 7 приводится схема с измеренными токами утечки компонентов обвязки.

Рис. 7. Используемая схема подключения микросхемы с токами утечки компонентов

Рис. 7. Используемая схема подключения микросхемы с токами утечки компонентов

При переходе с конденсаторов 0805 на конденсаторы 0603 той же емкости наблюдалось увеличение тока утечки в эти конденсаторы в 10 раз. Связано это с тем, что у меньшего типоразмера для сохранения емкости конденсатора уменьшается толщина диэлектрического слоя. Так как тип используемой керамики для конденсаторов одинаковый, то меньшая толщина диэлектрического слоя приводит к снижению параллельного сопротивления конденсатора, что отражается на токе утечки.

Измерение собственного потребления схемы

После проведения испытаний нас заинтересовало собственное потребление схемы. Для его измерения из описанной выше схемы мы убрали приборы со входа и выхода микросхемы, а также отключили всех потребителей со стороны устройства путем демонтажа компонентов. Между термостатированной батарейкой и схемой установили Agilent 34465a, который за день работы получал одно распределение потребления тока.

Это потребовало термостатирования и контроля влажности не только измеряемого преобразователя, но и всей измерительной установки на уровне температуры 26°С ±1ºС и влажности 60% ±2% (рисунок 8).

Рис. 8. Распределение измерений тока потребления микросхемы за длительный период

Рис. 8. Распределение измерений тока потребления микросхемы за длительный период

Из распределения видно, что у схемы наблюдаются два режима работы:

  • режим сна преобразователя (ток менее 600 нА) – ток собственного потребления микросхемы и утечки конденсаторов;
  • импульсное включение для подзарядки выходной емкости (ток более 1 мкА).

Подробнее об этом можно узнать из технической документации на MAX17220-17225. 

Заключение

Микросхема MAX17225, как и заявил ее производитель – компания Maxim Integrated – показала высокие значения КПД энергопотребления нагрузки в режимах сна при использовании со схемой защиты от переполюсовки. Решение занимает всего 21 мм2 на печатной плате и обеспечивает потребителей током до 150 мА, однако если использовать типоразмер конденсаторов 0603, то размер технического решения можно сделать еще меньше. В целом решение на MAX17225 позволило увеличить срок автономной работы нашего устройства на 50%.

Дополнительные материалы

  1. Технология Maxim Integrated nanoPower: когда малый IQ имеет преимущества
  2. Учет тока покоя при разработке источников питания
  3. Кофе, nanoPower и строительные блоки для новой «умной энергии»
  4. Увеличение длительности автономной работы портативных устройств Интернета вещей
  5. MAX17222 — длинная жизнь для маленьких вещей

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX17225ELT+ (MAX)
MAX17225ELT+T (MAX)
MAX17225ENT+ (MAX)
MAX17225ENT+T (MAX)
MAX17220ELT+ (MAX)
MAX17220EVKIT# (MAX)
MAX17220ELT+T (MAX)
MAX17220ENT+ (MAX)
MAX17222ELT+ (MAX)
MAX17222EVKIT# (MAX)
MAX17222ELT+T (MAX)
MAX17222ENT+ (MAX)
MAX17223ELT+T (MAX)
MAX17223ENT+ (MAX)
MAX17223ENT+T (MAX)
MAX17223ELT+ (MAX)
MAX17224ENT+T (MAX)
MAX17224ELT+ (MAX)
MAX17224ELT+T (MAX)
MAX17224ENT+ (MAX)