Компараторы Maxim для контроля уровня заряда аккумуляторов малой емкости

16 апреля

терминалы продажуправление питаниемпотребительская электроникаинтернет вещейMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалыInternet-of-Thingsбатарейное питаниеИзмерение зарядаМониторинг температурыАккумулятор

Ашви Бадри Нарьянан (Maxim Integrated)

Специализированные компараторы Maxim в ультракомпактных корпусах со сверхнизким собственным потреблением идеальны для схем мониторинга состояния заряда аккумулятора, а также для мониторинга температуры в миниатюрных приборах и устройствах с автономным электропитанием.

Для питания многих современных портативных электронных приборов используют миниатюрные батарейки типа «таблетка». Очевидно, что потребители ожидают максимально долгой автономной работы устройств и хотят иметь достоверную информацию об уровне заряда. К сожалению, эффективный мониторинг состояния заряда небольших батарей (State of Charge, SoC) оказывается сложной задачей, так как сама система мониторинга будет дополнительно разряжать элемент питания, что крайне нежелательно. В данной статье рассказывается о простых и малопотребляющих системах мониторинга, которые позволяют решить проблему измерения уровня заряда аккумуляторов небольшой емкости.

Контроль напряжения и температуры аккумулятора

Одна из важнейших задач, стоящих перед системными проектировщиками, заключается в обеспечении бюджета мощности. В основе современных устройств обычно – микроконтроллер или микропроцессор, который выполняет необходимые функции и осуществляет общее управление. К сожалению, именно микроконтроллер чаще всего оказывается самым «прожорливым» компонентом системы, поэтому нет смысла заставлять его выполнять все задачи без разбора. Для снижения общего потребления желательно, чтобы контроллер оставался в спящем состоянии как можно дольше, пока на его портах не появятся пробуждающие сигналы – флаги и прерывания.

Для постоянного мониторинга критических параметров системы разработчики часто используют дополнительные малопотребляющие схемы. Эти схемы пробуждают контроллер (обычно с помощью прерываний) для выполнения необходимых действий, когда происходит какое-либо событие. Одним из таких критических параметров является уровень заряда батареи или аккумулятора. Если в процессе разряда выходное напряжение аккумулятора падает ниже определенного уровня, его необходимо зарядить. Аналогичным образом, когда выходное напряжение аккумулятора превышает верхний порог, следует установить флаг, сообщающий микроконтроллеру о необходимости окончания процесса заряда. Также важно следить за температурой аккумулятора, поскольку она позволяет оценить условия его работы и обнаружить неисправности.

В самых простых случаях для контроля напряжения и температуры аккумулятора можно использовать аналого-цифровой преобразователь (АЦП) или оконный компаратор. Существуют также сложные специализированные микросхемы, разработанные для решения этой задачи. Однако при создании системы мониторинга уровня заряда необходимо соблюдать осторожность и учитывать множество дополнительных параметров, в том числе уровень собственного потребления, быстродействие, точность, стоимость и габариты. В каждом конкретном приложении на первый план могут выходить те или иные параметры из этого списка. Перед тем как рассмотреть систему мониторинга уровня заряда, построенную на базе малопотребляющих компараторов, проанализируем основные ограничения, связанные с использованием аккумуляторов.

Ограничения аккумуляторов

Аккумуляторы отличаются друг от друга по химическому составу и структуре. Эти особенности в свою очередь определяют основные характеристики аккумуляторов, в том числе удельную емкость, пиковый ток нагрузки, срок службы, температурную стабильность и так далее. При выборе аккумулятора необходимо также учитывать различные компромиссы, например, чем выше удельная мощность, тем ниже рейтинг безопасности, срок службы, и наоборот.

Любой аккумулятор имеет целый ряд ограничений, в том числе:

  • максимальный ток, который аккумулятор может выдавать в определенном диапазоне выходных напряжений;
  • максимальный ток, который аккумулятор может принимать во время зарядки;
  • максимальное безопасное напряжение;
  • минимальное безопасное напряжение;
  • максимальную и минимальную рабочую температуру.

Каждое из этих ограничений влияет на срок службы аккумулятора. Выход за рамки разрешенных значений может привести к преждевременному отказу аккумулятора, в том числе с возгоранием. Указанные выше значения токов зависят от емкости аккумулятора, которая в свою очередь оказывается прямо пропорциональной габаритным размерам.

Аккумуляторы для портативной электроники

В таблице 1 приведены типовые характеристики наиболее популярных аккумуляторов:

  • Максимальное безопасное рабочее напряжение – это напряжение полностью заряженного аккумулятора. Аккумулятор можно заряжать до более высоких напряжений, но это будет сопряжено с риском преждевременного отказа или сокращения срока службы элемента питания.
  • Конечное напряжение разряда – это напряжение, определяемое как напряжение полностью разряженного аккумулятора. Более глубокий разряд аккумулятора приведет к сокращению его срока службы.
  • Срок службы измеряется в циклах заряда-разряда. Чем чаще вы заряжаете/разряжаете свой смартфоны, тем короче будет ожидаемый срок службы его аккумулятора.

Таблица 1. Типовые характеристики популярных аккумуляторов (рассматриваются одноэлементные аккумуляторы)

Тип элемента питания Максимальное безопасное напряжение, В Конечное напряжение разряда, В Номинальное напряжение (VBAT), В Средний срок службы, циклов Типовой саморазряд,
%/месяц
LCO (LiCoO2) 4,2 2,5 3,6 750 1…2
LiNMC (LiNiMnCoO2) 4,2 2,5 3,6 1500 1…2
LiFePO4 3,6 2,0 3,2 1500 1…2
Li-po 4,2 2,0 3,6 400 1…2
NiCd* 1,45 0,9 1,2 2000 10…15
NiMH* 1,3 1,0 1,2 1500 10…15
* – Для получения напряжения 3,6 В используют три последовательно включенных элемента.

Как видно из таблицы 1, литий-полимерные аккумуляторы (Li-po) имеют малый срок службы, но их компактные размеры, малый вес и широкий диапазон рабочих напряжений могут стать очень важными преимуществами при использовании во многих приложениях. В портативной электронике обычно применяются никелевые и литий-ионные аккумуляторы. В то же время свинцово-кислотные аккумуляторы в таких приложениях не используют из-за их большого веса (низкой удельной емкости на единицу массы). Повторяющиеся циклы полного разряда существенно ухудшают химические свойства таких аккумуляторов, сокращая срок их службы. Несмотря на привлекательную стоимость свинцово-кислотных и никель-кадмиевых аккумуляторов, они оказываются достаточно вредными для окружающей среды и используются в основном в автономных/резервных источниках питания.

Саморазряд и бюджет мощности

Саморазряд выражается в уменьшении емкости аккумулятора вследствие внутренних нежелательных химических реакций. Именно по этой причине срок годности элемента питания (Shelf Life) уменьшается, даже если батарея не используется. Рассмотрим Li-po-аккумулятор с емкостью 1000 мА⋅ч. Показатель емкости, или C-показатель, определяет номинальную скорость разряда аккумулятора. Например, 1C означает, что аккумулятор может выдавать 1000 мА в течение одного часа до полной разрядки. Аналогичным образом 0,5C означает, что аккумулятор может выдавать ток 500 мА в течение двух часов до полной разрядки.

Пусть аккумулятор 1000 мА⋅ч имеет саморазряд 1% в месяц. Рассчитаем его ток саморазряда. Для этого определим приблизительный ток, необходимый для полного разряда аккумулятора в течение месяца по формуле 1:

$$\frac{1}{(24\times 30)\:часов}=0.001388C \Rightarrow \frac{1000\:мА\cdot ч}{(24\times 30)\:часов}=1.388\:мА\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Тогда ток саморазряда будет равен 1% от рассчитанного выше тока разряда 1,388 мА, то есть составит 13,88 мкА.

Если схема потребляет меньше, чем ток саморазряда, то срок службы аккумулятора будет ограничен в первую очередь его сроком годности. Компараторы со сверхнизким потреблением MAX40000/MAX40001 (размер посадочного места 1,11х0,76 мм) и MAX40003/MAX40004 (размер посадочного места 0,73х0,73 мм) потребляют менее 1 мкА. Столь низкий ток сравним с типовыми значениями тока саморазряда популярных аккумуляторов, что делает эти компараторы идеальным выбором для схем мониторинга при условии жестких ограничений по уровню собственного потребления.

На рисунке 1 представлена простейшая схема мониторинга уровня заряда аккумулятора на базе малопотребляющего компаратора. Выход компаратора переключается в низкое состояние, когда аккумулятор достигает верхнего порогового значения при заряде. И наоборот, выход компаратора переключается в высокое состояние, когда аккумулятор достигает нижнего порогового значения при разряде. В схеме используется гистерезис, а пороговые напряжения выбираются исходя из типа аккумулятора и требований приложения.

Рис. 1. Использование компаратора с гистерезисом для индикации заряженного и разряженного состояния аккумулятора

Рис. 1. Использование компаратора с гистерезисом для индикации заряженного и разряженного состояния аккумулятора

Предлагаемые компараторы обладают чрезвычайно компактными размерами, имеют встроенный ИОН и потребляют всего 900 нА. Использование высокоомных резисторов гарантирует, что собственный ток потребления схемы будет сопоставим с типовым током саморазряда аккумулятора. Схема может работать с напряжением питания всего 1,7 В, а ее общее потребление не превышает 2 мкА. Столь малое значение напряжения питания гарантирует, что даже при глубоком разряде аккумулятора схема все равно будет правильно выполнять измерения.

В таблице 2 приведены типовые номиналы компонентов схемы мониторинга для различных пороговых значений напряжения VBAT (VH→L и VL→H).

Таблица 2. Типовые номиналы компонентов схемы мониторинга (VDD = VPULLUP = 1,8 В, VSS = GND)

Тип аккумулятора LiCO/LiMNC Li-po LiFePO4 NiCd*/NiMH*
Точка перехода VH→L = 4,0 В;
VL→H = 2,64 В
VH→L = 4,0 В;
VL→H = 3,2 В
VH→L = 3,4 В;
VL→H = 2,2 В
VH→L = 3,4 В;
VL→H = 3,0 В
Опция Push-Pull (MAX40000), МОм RA = 6,02 RA = 3,7 RA = 2 RA = 2
RB = 1 RB = 1 RA = 4,6 RB = 1
R1 = 5,4 R1 = 5,4 R1 = 5,4 R1 = 1,54
R2 = 2,7 R2 = 3,01 R2 = 3,01 R2 = 10
R3 = 15,4 R3 = 15,4 R3 = 15,4 R3 = 20
Опция Open-Drain (MAX40001), МОм RPULLUP = 2,2 RPULLUP = 2,2 RPULLUP = 2,2 RPULLUP = 2,2
* – Для получения напряжения 3,6 В используют три последовательно включенных элемента.

В таблице 2 приведены типовые номиналы компонентов схемы мониторинга. По сравнению с таблицей 1 предложенные пороговые значения ограничивают более узкий рабочий диапазон напряжений. Это связано с необходимостью учета отклонений номиналов резисторов. Схема обеспечивает точность измерений ± 1% при использовании резисторов с отклонением 0,5%. Для повышения точности можно использовать прецизионные резисторы с более жесткими допусками.

Контроль напряжения Li-ion-/Ni-Cd-аккумуляторов

MAX9065 представляет собой однокристальную микросхему, используемую для контроля напряжения аккумулятора. Она имеет два встроенных компаратора, источник опорного напряжения, резистивную цепочку для реализации оконного компаратора. При использовании MAX9065 от разработчика требуется всего лишь подключить выход аккумулятора ко входам IN и VCC. Кроме того, устройство может работать с напряжением питания от 1,0 В. Это позволяет схеме выполнять измерения, даже если аккумулятор находится в состоянии очень глубокого разряда. MAX9065 имеет два исполнения: MAX9065E и MAX9065A. Микросхема MAX9065E предназначена для работы с одноэлементными Li-ion-аккумуляторами, а MAX9065A – для мониторинга никель-кадмиевых аккумуляторов.

На рисунке 2 представлена схема мониторинга напряжения литий-ионных и никель-кадмиевых аккумуляторов с помощью оконного компаратора на базе MAX9065. Пороговые значения устанавливаются с помощью встроенной резистивной цепочки, что позволяет уменьшить количество внешних пассивных компонентов и обеспечить точность измерений ±1%. Предлагаемая схема потребляет менее 1 мкА.

Рис. 2. Мониторинг уровня заряда Li-ion- и Ni-Cd-аккумуляторов с помощью MAX9065

Рис. 2. Мониторинг уровня заряда Li-ion- и Ni-Cd-аккумуляторов с помощью MAX9065

Мониторинг температуры

Чрезмерно высокая температура сигнализирует о возникновении неисправностей и может стать причиной повреждения электронного устройства. Причиной этого могут быть высокая температура окружающей среды, большое собственное потребление или неправильная зарядка/разрядка аккумулятора. При больших нагревах устройство следует отключить во избежание катастрофических последствий.

На рисунке 3 показана простейшая схема мониторинга температуры. В ней используется компаратор MAX40004 и термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Обычно термистор размещают рядом с аккумулятором, чтобы их температуры были максимально близки.

Рис. 3. Контроль температуры с помощью MAX40004

Рис. 3. Контроль температуры с помощью MAX40004

Сопротивление термистора NTC обратно пропорционально температуре. Например, для термистора 100 кОм номинальное сопротивление при 25°C составляет 100 кОм, но при температуре 85°C уменьшится до 8,8 кОм. Номинал резистора R1 составляет 1,08 МОм, а резистора R2 – 120 кОм. При температуре 85°C напряжение на неинвертирующем входе компаратора оказывается достаточно большим, чтобы перевести выход в низкое состояние. Внутренний гистерезис компаратора обеспечивает температурный гистерезис 15°C, что позволяет снизить чувствительность к шуму.

Компаратор MAX40004 доступен в компактном четырехвыводном WLP-корпусе и потребляет менее 500 нА. Общее потребление схемы, изображенной на рисунке 3, не превышает 2 мкА.

Заключение

Схемы мониторинга и защиты аккумуляторов с минимальным собственным потреблением являются критически важными элементами для мобильных и портативных электронных устройств. Для их создания компания Maxim Integrated предлагает использовать малопотребляющие компараторы. Например, компараторы MAX40000/01, MAX40003/04 и сдвоенный компаратор MAX9065 потребляют менее 1 мкА, что оказывается даже меньше, чем саморазряд современных аккумуляторов. Кроме малого потребления эти компараторы обеспечивают целый ряд дополнительных преимуществ. В частности, они способны работать с очень низкими напряжениями вплоть до 1,7 В (MAX4000x) и до 1,0 В (MAX9065), что позволяет им выполнять измерения, даже если аккумулятор находится в состоянии очень глубокого разряда. Еще одним важным достоинством предлагаемого решения является высокая точность до 1% (MAX9065).

Малое потребление, широкий диапазон рабочих напряжений и высокая точность делают компараторы производства Maxim хорошим выбором при создании схем мониторинга температуры аккумуляторов.

Оригинал

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

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
MAX40000ANT12+T (MAX)
MAX40000AUT12+T (MAX)
MAX40000EVKIT# (MAX)
MAX40000ANT12+ (MAX)
MAX40001AUT12+T (MAX)
MAX40001ANT12+T (MAX)
MAX40001AUT22+T (MAX)
MAX40001ANT22+T (MAX)
MAX40002ANS12+T (MAX)
MAX40002ANS02+T (MAX)
MAX40002AUK02+T (MAX)
MAX40002EVKIT# (MAX)
MAX40003ANS02+T (MAX)
MAX40003EVKIT# (MAX)
MAX40003ANS02+ (MAX)
MAX40003ANS12+T (MAX)
MAX40004ANS02+T (MAX)
MAX40004ANS02+ (MAX)
MAX40004EVKIT# (MAX)
MAX40005ANS02+T (MAX)