№11 / 2018 / статья 4

Как уменьшить размер и снизить температуру IoT-устройств

Новый подход компании Maxim Integrated к реализации схемы питания портативных устройств интернета вещей, основанный на микросхеме управления питанием MAX77818, позволяет продлить срок службы батареи, увеличить КПД заряда и снизить тепловыделение.

Микросхемы  заряда и измерения уровня остаточного заряда – это сердце системы управления аккумулятором. Они являются необходимой частью всех мобильных устройств и IoT-гаджетов. В то время как размеры устройств данного типа постоянно уменьшаются, сложность их разработки возрастает.  Для ускорения заряда батареи при минимальном тепловыделении требуется высокоэффективный процесс заряда большим током при высоком входном напряжении.

Типовая реализация схемы питания

Классическая система заряда и измерения уровня батареи приведена на рисунке 1. Помимо зарядного устройства и измерителя уровня заряда система содержит два защитных линейных регулятора (SFLDO), подающих питание на USB-интерфейс. Для упрощения схемы пассивные компоненты не изображены.

Рис. 1. Типовая блок-схема заряда и измерения уровня заряда батареи

Рис. 1. Типовая блок-схема заряда и измерения уровня заряда батареи

Все активные и пассивные компоненты системы, приведенной на рисунке 1, показаны в решении, изображенном на рисунке 2.

Рис. 2. Расположение компонентов типовой схемы заряда и измерения уровня остаточного заряда аккумулятора

Рис. 2. Расположение компонентов типовой схемы заряда и измерения уровня остаточного заряда аккумулятора

Катушка индуктивности номиналом 1,5 мкГн на 3,5 А (в корпусе 2520) и два LDO-регулятора наиболее проблеммны с точки зрения занимаемого на плате места. В целом такое решение занимает площадь примерно 55 мм2.

Интегрированное решение

Микросхема управления питанием MAX77818 (импульсная микросхема заряда с измерителем уровня остаточного заряда и двойным входом на 3 А), показанная на рисунке 3, представляет собой решение, в котором узлы заряда и измерения уровня остаточного заряда, а также линейные регуляторы  (LDO) объединены в одном корпусе. Это позволяет устранить необходимость использования дополнительных внешних компонентов и снизить общий размер решения. Другим дополнительным преимуществом данного решения является использование дросселя на 3,5 А с меньшей индуктивностью (0,47 мкГн) в корпусе меньшего типоразмера (2016).

Рис. 3. Высокоинтегрированная микросхема заряда и измерения уровня остаточного заряда

Рис. 3. Высокоинтегрированная микросхема заряда и измерения уровня остаточного заряда

Все активные и пассивные компоненты системы, приведенной на рисунке 3, и их взаимное расположение изображены на рисунке 4.

Рис. 4. Расположение элементов высокоинтегрированной системы заряда и измерения уровня остаточного заряда

Рис. 4. Расположение элементов высокоинтегрированной системы заряда и измерения уровня остаточного заряда

Общая площадь компонентов на плате для данного решения составляет 37 мм2, что на 33% ниже в сравнении с типовым. Помимо прочего, MAX77818 потребляет всего 20 мкА от общего тока собственного потребления системы. Это обстоятельство значительно продлевает время автономной работы от батареи, что позволяет либо использовать батарею меньшего размера, либо увеличить время использования устройства между зарядками.

Повышение эффективности при снижении размера

Сравнение КПД MAX77818 с конкурирующим решением (от входа CHGIN до выхода BATT) приведено на рисунке 5. Для корректности сравнения в обоих схемах была установлена катушка индуктивностью 1 мкГн в корпусе 2520. Интегрированное решение демонстрирует повышенный КПД практически во всем диапазоне выходного тока даже при работе на более высокой частоте. При полной нагрузке (3,5 А) КПД решения на MAX77818 приблизительно равен 88%, в то время как конкурентное решение показывает результат ниже как минимум на 2%.

Рис. 5. График сравнения КПД MAX77818 и конкурирующего решения

Рис. 5. График сравнения КПД MAX77818 и конкурирующего решения

Даже при использовании дросселя большего типоразмера 2520, решение на MAX77818 получается на 30% меньше по габаритам, чем конкурирующее решение.

MAX77818 – интегрированное устройство заряда и измерения уровня остаточного заряда

Импульсное зарядное устройство MAX77818 разработано с использованием специального алгоритма управления, который регулирует ток, напряжение и температуру кристалла. Алгоритм Model-Gauge (m5) позволяет измерить заряд батареи с максимально возможной точностью, потребляя при этом от самой батареи экстремально низкий ток.

Перед началом работы в зарядное устройство должен быть загружен специальный INI-файл с заводской характеристикой используемого аккумулятора. Компания Maxim разработала обширную базу данных с характеристиками аккумуляторов и моделями их поведения для разных типов конечных устройств и при различных условиях эксплуатации. Это позволило компании сформировать начальный конфигурационный файл, который отлично работает с аккумулятором в устройстве до тех пор, пока не будет сгенерирован более специфичный для конкретного аккумулятора файл для достижения наивысшей точности работы. Для изучения всех условий предоставления файлов характеристик аккумулятора следует обратиться к дистрибьюторам компании Maxim Integrated.

Дополнительные преимущества интеграции

Микросхема заряда и измерения уровня остаточного заряда способна измерять температуру, что позволяет реализовать процесс в  соответствии с правильным профилем заряда для конкретного типа аккумулятора. Обычно такая возможность отсутствует у простых зарядных микросхем. Однако протокол японской ассоциации электроники и информационных технологий JEITA, описывающий процесс заряда в зависимости от температуры, уже стал стандартом для литий-ионных аккумуляторов. Например, для управления током  и напряжением заряда в зависимости от температуры (для уменьшения тока заряда при низких температурах) зарядному устройству необходим встроенный датчик температуры или внешний процессор, предоставляющий информацию о температуре. Высокая интеграция MAX77818 позволяет измерителю уровня и зарядному устройству получать данные о температуре, что является важной функцией при активации режима JEITA.

Интеграция позволяет сократить расход кремния и отказаться от использования термисторов. Наконец, при расположении узлов измерителя уровня и зарядного устройства  в одном корпусе меньше вероятность возникновения трудностей при трассировке печатной платы.

Заключение

Мы рассмотрели несовершенство типовой схемы реализации заряда и измерения уровня остаточного заряда аккумулятора, а также познакомились с новым высокоинтегрированным решением. Новый подход, по сравнению с альтернативной реализацией, при полном выходном токе дает преимущество по КПД более чем в 2% и на 33% снижает область требуемого на печатной плате места, что позволяет продлить время использования батареи и снизить габариты устройства.

Оригинал статьи

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