№8 / 2017 / статья 7

Для современных зарядных устройств: датчики тока Texas Instruments

Вячеслав Морозов (г. Ростов-на-Дону)

Алгоритм так называемой быстрой зарядки аккумулятора предполагает точное регулирование тока зарядки. А для этого нужны специализированные микросхемы датчиков тока на базе усилителей сигнала токовых шунтов. Линейку таких микросхем предлагает Texas Instruments.

Устройства с батарейным питанием становятся неотъемлемой частью нашей жизни, поэтому разработчикам все больше внимания приходится уделять проблемам, связанным с быстрой зарядкой этих устройств. За последние несколько лет появились новые подходы к решению проблемы длительных сроков зарядки аккумуляторов, что позволяет пользователям полностью заряжать свои устройства за считанные минуты, а не в течение нескольких часов, как ранее. Рассмотрим тенденции построения систем быстрой зарядки, уделив особое внимание задаче точного регулирования постоянного тока для реализации безопасного и экономически эффективного устройства быстрой зарядки аккумуляторов.

Точное регулирование постоянного тока позволяет реализовать алгоритм быстрой зарядки аккумулятора

Типовой процесс заряда аккумулятора (рисунок 1) проходит в два этапа: заряд постоянным током (CC) и заряд постоянным напряжением (CV). При заряде постоянным током аккумулятор набирает большую часть (примерно 67%) заряда, затем, при заряде постоянным напряжением – оставшиеся 33%. В некоторых зарядных устройствах в режиме CV осуществляется подача небольшого зарядного тока (струйный подзаряд) для компенсации тока саморазряда аккумулятора и поддержания его в полностью заряженном состоянии. Время, необходимое для полной зарядки аккумулятора, зависит от его емкости и максимально допустимого тока зарядки, который, в свою очередь, определяется типом электрохимической системы аккумулятора и температурой окружающей среды. Например, для полной зарядки литий-ионного аккумулятора емкостью 3000 мАч током 0,8 С потребуется 2…3 часа («С» обозначает ток, необходимый для зарядки аккумулятора в течение одного часа, что является типовым показателем, рекомендуемым производителями аккумуляторов для их максимального срока службы).

Рис. 1. Типичные формы напряжения и тока при заряде аккумулятора

Рис. 1. Типичные формы напряжения и тока при заряде аккумулятора

Недавно разработанные новые способы зарядки аккумуляторов сокращают время этой процедуры за счет увеличения количества энергии, передаваемой аккумулятору на этапе заряда постоянным током. Новые способы зарядки используют либо фирменные алгоритмы, либо базируются на стандарте USB Power Supply Programmable Power Supplies (PPS). Сетевой адаптер и заряжаемое устройство осуществляют непрерывный обмен данными с целью передачи текущих параметров аккумулятора в интеллектуальный алгоритм зарядки и достижения максимальной эффективности процесса зарядки.

Существует два основных способа быстрой зарядки аккумуляторов, один из которых использует высокое напряжение и малый ток (традиционный способ), второй – большой ток и низкое напряжение (новый способ). Первый способ позволяет использовать для зарядки аккумуляторов существующие кабели и реализуется путем повышения напряжения до 15 В с ограничением тока на уровне примерно 2 А. Недостатком данного способа является большое тепловыделение в преобразователе напряжения заряжаемого устройства, что ограничивает максимально допустимую энергию, передаваемую аккумулятору, и сокращает срок его службы.

Второй способ, называемый обычно быстрой или мгновенной зарядкой, использует напряжение заряда, близкое к напряжению аккумулятора, и более высокое значение тока, протекающего от источника питания непосредственно в аккумулятор. Этот способ позволяет повысить скорость зарядки благодаря отсутствию преобразователя напряжения и, соответственно, более низкой температуре в заряжаемом устройстве. Однако для быстрой зарядки требуются специальные зарядные кабели, рассчитанные на более высокие значения токов.

Благодаря оптимальному температурному профилю алгоритм быстрой зарядки становится все более популярным и используется большинством существующих стандартов зарядки аккумуляторов.

Система быстрой зарядки (рисунок 2) должна включать в себя точный контур регулирования тока, обеспечивающий ускоренный процесс зарядки, и функцию дополнительной защиты, приоритетной по отношению к другим функциональным блокам – зарядному устройству и контроллеру уровня заряда. Однако при практической реализации схемы измерения тока могут возникнуть трудности: требуемая точность измерения тока посредством низкоомных шунтов, обеспечивающих минимальное тепловыделение, плохо сочетается с возможностью контролировать ток в плюсовой шине питания.

Рис. 2. Блок-схема системы быстрой зарядки аккумулятора

Рис. 2. Блок-схема системы быстрой зарядки аккумулятора

Для реализации алгоритма быстрой зарядки компания Texas Instruments предлагает набор специализированных измерителей тока, в число которых входят линейка INA210, обеспечивающая высокую точность в широком динамическом диапазоне, линейка INA199, обладающая наилучшим соотношением точности и цены, и новая линейка INA181 с оптимальным сочетанием полосы пропускания, цены и точности. При работе INA181 в замкнутом контуре регулирования тока широкая полоса пропускания микросхемы (до 350 кГц) позволяет обнаруживать быстрые колебания постоянного тока заряда, что можно использовать для установки максимального тока в режиме CC с минимальным защитным допуском, обеспечивающим безопасный заряд аккумулятора (рисунок 3).

Рис. 3. Типичная форма тока на выходе сетевого адаптера в режиме быстрой зарядки аккумулятора

Рис. 3. Типичная форма тока на выходе сетевого адаптера в режиме быстрой зарядки аккумулятора

Требования к усилителям сигнала токового шунта в зависимости от схемы включения

Основной способ контроля тока, характеризующийся высокой точностью и малой стоимостью, основан на измерении падения напряжения на низкоомном резисторе (токовом шунте), включенном последовательно с нагрузкой.

В зависимости от условий применения схемы измерения тока (защиты, мониторинга или управления), токовый шунт может включаться либо между источником питания и нагрузкой (измерение тока в шине питания), либо между нагрузкой и землей (измерение тока в шине земли). На рисунке 4 показаны схемы, реализующие оба способа измерения тока, а в таблице 1 приведено их сравнение.

Рис. 4. Измерение тока посредством шунта RS: а) в шине питания; б) в шине земли

Рис. 4. Измерение тока посредством шунта RS: а) в шине питания; б) в шине земли

Таблица 1. Сравнение способов измерения тока в шинах питания и земли

Критерии сравнения Измерение тока в шине питания Измерение тока в шине земли
Схема подключения к датчику тока Симметричная Симметричная или несимметричная
Влияние помех на земляной шине Нет Есть
Синфазное напряжение На уровне напряжения шины питания На уровне земли
Требования к коэффициенту подавления синфазного сигнала (CMRR) Высокие Низкие
Возможность обнаружения КЗ нагрузки Есть Нет

Многие разработчики используют измерение тока в шине земли вследствие малой стоимости реализации данного способа. На рисунке 5a показан вариант схемы измерения тока с использованием операционного усилителя (ОУ) в несимметричной схеме включения. Данный вариант измерительной схемы отличается простотой реализации и минимальной стоимостью, однако его существенным недостатком является низкая точность из-за наличия паразитных сопротивлений и влияния температурных коэффициентов сопротивления резисторов на коэффициент усиления. Другим недостатком измерения тока в шине земли является невозможность обнаружения КЗ нагрузки.

Рис. 5. Схемы измерения тока в шине земли, реализованные на ОУ: а) несимметричная; б) симметричная

Рис. 5. Схемы измерения тока в шине земли, реализованные на ОУ: а) несимметричная; б) симметричная

Для уменьшения влияния паразитных элементов и помех земляной шины на точность измерения тока можно использовать симметричную (дифференциальную) схему включения ОУ, показанную на рисунке 5б. Точность измерений в такой схеме будет определяться коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR) и дрейфом ОУ, а также точностью согласования резисторов, задающих коэффициент усиления. Однако стоимость реализации данного варианта будет значительно выше при использовании ОУ с большим CMRR и малым дрейфом.

Для решения проблем, связанных с точностью измерения тока, компания TI предлагает специализированные усилители сигнала токового шунта, к числу которых относится, в частности, линейка INA180, сочетающая в себе высокую точность измерений и малую стоимость. Микросхемы INA180 имеют широкую полосу пропускания (до 350 кГц) и скорость нарастания 2 В/мкс, что позволяет использовать их в стабилизаторах постоянного тока, источниках питания и драйверах двигателей. На рисунке 6 показана основная схема включения усилителя сигнала токового шунта INA180.

Рис. 6. Основная схема включения усилителя сигнала токового шунта INA180

Рис. 6. Основная схема включения усилителя сигнала токового шунта INA180

Выбор места подключения токоизмерительного шунта зависит от функционального назначения схемы измерения тока и конкретных условий ее применения. Измерение тока в шине земли предпочтительнее использовать в устройствах, стоимость которых является существенным фактором, при этом в устройстве не требуется обнаружения КЗ нагрузки, а уровень помех в шине земли не приводит к ухудшению точности измерений. Измерение тока в шине питания целесообразно использовать при необходимости обнаружения КЗ нагрузки, а также при значительном уровне помех в шине земли. По сравнению со специализированными усилителями сигнала токового шунта реализация схемы измерения тока на дискретных элементах имеет ограниченную точность, большую площадь, необходимую для размещения элементов на печатной плате (рисунок 7), и более высокую стоимость для того же класса точности. Применение специализированной микросхемы позволило сократить на 70% суммарную площадь на печатной плате, занимаемую компонентами.

Рис. 7. Сравнение вариантов реализации схемы контроля тока на дискретных элементах, ОУ и компараторе (а) и специализированной микросхеме INA300 (б)

Рис. 7. Сравнение вариантов реализации схемы контроля тока на дискретных элементах, ОУ и компараторе (а) и специализированной микросхеме INA300 (б)

Измерение тока в шине питания решает проблемы, связанные с обнаружением КЗ нагрузки и помехами на шине земли, однако требует применения усилителей, устойчивых к большим синфазным напряжениям. Проблема защиты токоизмерительной схемы от синфазных напряжений, а также необходимость улучшения точностных характеристик и поиск ценовых компромиссов побуждают разработчиков искать замену традиционным измерительным схемам на дискретных элементах. Идеальным решением в данном случае являются специализированные усилители сигнала токового шунта, сочетающие в себе высокую точность, малую стоимость и возможность работы с большими синфазными напряжениями, как раз такие, как линейка микросхем INA180. Эти усилители способны работать с синфазными напряжениями до 26 В и сочетают в себе улучшенные характеристики, минимальную площадь размещения на печатной плате, гибкость построения токоизмерительных схем и оптимальную стоимость для устройств невысокой ценовой категории.

Основные характеристики линейки INA180:

  • диапазон синфазного напряжения (VCM): –0,2…26 В;
  • широкая полоса пропускания: 350 кГц;
  • максимальное напряжение смещения:
  • ±150 мкВ при VCM = 0 В;
  • ±500 мкВ при VCM = 12 В.
  • скорость нарастания выходного напряжения: 2 В/мкс;
  • точность:
  • максимальная погрешность коэффициента усиления ±1%;
  • максимальный температурный дрейф напряжения смещения 1 мкВ/°C.
  • коэффициент усиления:
  • 20 В/В (индекс A1);
  • 50 В/В (индекс A2);
  • 100 В/В (индекс A3);
  • 200 В/В (индекс A4).
  • ток потребления: 260 мкА.

Семейство усилителей сигнала токового шунта Texas Instruments

На рисунке 8 показаны основные варианты схем измерения тока с использованием специализированных микросхем производства компании TI, а в таблице 2 приведены их сравнительные характеристики.

Рис. 8. Основные варианты построения схем измерения тока на основе специализированных микросхем TI

Рис. 8. Основные варианты построения схем измерения тока на основе специализированных микросхем TI

Таблица 2. Основные серии специализированных усилителей сигналов токовых шунтов производства TI

Измерение тока в шине питания на выходе сетевого адаптера
Наименование Диапазон синфазного напряжения, В Напряжение смещения, мкВ Температурный дрейф напряжения смещения, мкВ/°C Коэффициент усиления Погрешность коэффициента усиления, % Температурный дрейф погрешности коэффициента усиления, ppm/°C Примечание
INA240 -4…80 25 0,25 20, 50, 100, 200 0,2 2,5 Подавление ШИМ
INA210 -0,3…26 35, 60, 100 0,1 50, 75, 100, 200, 500 0,9 10 Улучшенные рабочие характеристики
INA300 0…36 650 0,1 Только компаратор
INA301 0…36 35 0,1 20, 50, 100 0,10 10 Быстрый компаратор
Измерение тока в шине питания нагрузки
Наименование Диапазон синфазного напряжения, В Напряжение смещения, мкВ Температурный дрейф напряжения смещения, мкВ/°C Коэффициент усиления Погрешность коэффициента усиления, % Температурный дрейф погрешности коэффициента усиления, ppm/°C Примечание
INA240 -4…80 25 0,25 20, 50, 100, 200 0,2 2,5 Подавление ШИМ
INA210 -0,3…26 35, 60, 100 0,1 50, 75, 100, 200, 500 0,9 10 Улучшенные рабочие характеристики
Измерение тока в шине земли
Наименование Диапазон синфазного напряжения, В Напряжение смещения, мкВ Температурный дрейф напряжения смещения, мкВ/°C Коэффициент усиления Погрешность коэффициента усиления, % Температурный дрейф погрешности коэффициента усиления, ppm/°C Примечание
INA210 -0,3…26 35, 60, 100 0,1 50, 75, 100, 200, 500 0,9 10 Улучшенные рабочие характеристики
INA199 -0,3…26 150 0,1 50, 100, 200 1,4 10 Низкая стоимость
INA300 0…36 650 0,1 Только компаратор
INA301 0…36 35 0,1 20, 50, 100 0,1 10 Быстрый компаратор

Основные особенности микросхем INA производства Texas Instruments, применяемых для прецизионного измерения тока в шине питания, в шине земли, имеющих функцию защиты от перегрузки по току, а также встроенный шунт, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные применения и особенности микросхем INA от Texas Instruments для измерения тока

Наименование Способ измерения тока Особенности
INA210 Прецизионное измерение тока в шине питания
  • возможность измерения тока в обоих направлениях;
  • падение напряжения на токовом шунте 10 мВ для полной шкалы, что значительно снижает мощность, рассеиваемую токовым шунтом;
  • устойчивость входов к высокому синфазному напряжению, значительно превышающему напряжение питания микросхемы;
  • идеальное решение для устройств, имеющих ограничения по рассеиваемой мощности и габаритам.
INA240
  • расширенный до 80 В диапазон синфазного напряжения;
  • максимальная точность измерения постоянного тока.
INA199 Прецизионное измерение тока в шине земли
  • высокая стабильность характеристик в широком температурном диапазоне;
  • малая стоимость.
INA300 Измерение тока с функцией защиты от перегрузки
  • пороговое значение тока, устанавливающееся одним резистором;
  • наличие вариантов микросхем, отличающихся величиной гистерезиса (A1: 20 мВ, A2: 50 мВ, A3: 100 мВ), что предоставляет разработчику большую гибкость в построении схем контроля тока.
INA301
  • совмещение измерения тока и функции обнаружения перегрузки по току;
  • устойчивость к синфазному напряжению до 40 В;
  • время отклика 1 мкс, что минимизирует риски выхода из строя защищаемого устройства.
INA250

(рисунок 9)

Наличие встроенного шунта
  • полностью интегральный преобразователь “ток-напряжение”;
  • встроенный прецизионный токовый шунт 2 мОм ±0,1%;
  • возможность применения для измерения тока нагрузки как в шине питания, так и в шине земли;
  • на ¼ меньшая площадь размещения и на ½ меньшая стоимость решения на основе INA250 по сравнению с INA210 и внешним шунтом.

INA260

(рисунок 10)

  • полностью интегральный преобразователь аналоговых сигналов в цифровой код;
  • встроенный прецизионный токовый шунт 2 мОм ±0,1%;
  • возможность применения для измерения тока нагрузки как в шине питания, так и в шине земли;
  • встроенный АЦП, позволяющий реализовать в одном устройстве контроль напряжения шины питания, тока и мощности нагрузки;
  • встроенный интерфейс с шинами I2C и SMBus (16 программируемых адресов);
  • программируемая функция усреднения тока;
  • программируемый цифровой выход, оповещающий о возникновении различных аварийных ситуаций, таких как превышение максимального тока, повышенное напряжение шины питания и другие.
Рис. 9. Структурная схема прецизионного аналогового преобразователя "ток- напряжение" INA250

Рис. 9. Структурная схема прецизионного аналогового преобразователя «ток- напряжение» INA250

 

Рис. 10. Структурная схема прецизионного цифрового монитора напряжения питания, тока и мощности нагрузки INA260

Рис. 10. Структурная схема прецизионного цифрового монитора напряжения питания, тока и мощности нагрузки INA260

Заключение

Основным ограничивающим фактором современных способов быстрой зарядки является тепловыделение в месте размещения аккумулятора, которое ограничивает максимально допустимую передаваемую энергию и таким образом определяет минимально возможное время зарядки. Кроме того, высокие температуры создают проблемы с безопасностью и снижением срока службы аккумуляторов. Перспективным способом заряда аккумуляторов является быстрая зарядка, поскольку она позволяет осуществлять передачу большого количества энергии при относительно более низких температурах, повышая тем самым эффективность и минимизируя время зарядки. Для обеспечения высокой эффективности быстрой зарядки необходимо использовать точный контур управления током, который наиболее оптимально реализуется с помощью специализированных микросхем датчиков тока.

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
INA210AIDCKR (TI) 939 462 0.9032 $ 52.98 руб. от 179 шт
INA210AIRSWT (TI) 112 990 0.9351 $ 54.86 руб. от 250 шт
INA199A1DCKR (TI) 116 146 0.4379 $ 25.69 руб. от 3 000 шт
INA199A1DCKT (TI) 43 039 0.4645 $ 27.25 руб. от 250 шт
INA181A2IDBVR (TI) 50 000 0.2439 $ 14.31 руб. от 3 000 шт
INA181A4IDBVT (TI) 42 750 0.2774 $ 16.27 руб. от 250 шт
INA180B1IDBVR (TI) 50 000 0.2147 $ 12.59 руб. от 3 000 шт
INA180B2IDBVR (TI) 50 000 0.2147 $ 12.59 руб. от 3 000 шт
INA240A4PWR (TI) 44 364 1.4049 $ 82.41 руб. от 2 000 шт
INA240A2PWR (TI) 32 175 1.4049 $ 82.41 руб. от 2 000 шт