Повышение безопасности батарей, улучшение параметров индикации заряда для портативных медиаприложений

Портативные медиаплееры и смартфоны приобрели большую популярность в последние пять лет. Портативный медиаплеер способен принимать и воспроизводить аудио/видео-сигналы от ТВ, DVD-плеера, камеры или медиафайла, загруженного из интернета. Смартфон – это мобильный телефон с расширенными функциональными возможностями, часто схожими с возможностями ПК. Большинство смартфонов используются в качестве персональных органайзеров и, в том числе, поддерживают программное обеспечение для электронной почты.

Другие особенности смартфонов: стандартная клавиатура, сенсорный экран, встроенная камера, управление контактами, встроенная навигационная аппаратура и программное обеспечение, возможность просмотра деловых документов в различных форматах – Adobe Acrobat и Microsoft Office, программное обеспечение для медиа, позволяющее воспроизводить музыку, просматривать фото, видеоклипы или работать в интернете.

Реализация столь широких функциональных возможностей влечет за собой увеличение потребляемой мощности, что, в свою очередь, приводит к сокращению времени работы батарей без подзарядки. Исправить ситуацию можно с помощью более эффективной системы питания, в которой вместо линейного регулятора напряжения используется импульсный преобразователь с синхронным выпрямителем. Чтобы увеличить время между подзарядкой или заменой батарей, DC/DC-преобразователь должен иметь высокую эффективность при работе с неполной нагрузкой, для чего необходимо использовать частотно-импульсную модуляцию. Микросхемы ШИМ-контроллеров потребляют весьма малый ток в режиме ожидания.

Добавим три очень важных обстоятельства, необходимых для увеличения времени работы батарей: безопасность эксплуатации, использование корректного метода заряда и малая погрешность указателя уровня заряда. Все перечисленные требования будут рассмотрены в настоящей статье.

Увеличение безопасности эксплуатации батарей

Благодаря высоким удельным гравиметрической и объемной плотностям, литий-ионные и литийполимерные батареи нашли широкое применение в портативных устройствах. Одна из проблем при проектировании – обеспечение безопасности эксплуатации батарей. Известно немало примеров отзывов портативных устройств – лаптопов, сотовых телефонов – из-за использования контрафактных аккумуляторных батарей.

Для верификации батарей можно использовать специальные компоненты, например, микросхему памяти bq2022A компании TI, в которой прошит уникальный номер-идентификатор, или микросхему bq26100, основанную на интерфейсе SHA-1, используемом в системах безопасности. Температура батареи также существенно влияет на безопасность эксплуатации. Работа при повышенной температуре ускоряет деградацию батарей и может в конечном итоге привести к неуправляемому режиму работы вплоть до воспламенения. Литиевые батареи содержат агрессивные вещества и активные материалы. Быстрый рост температуры батареи может быть вызван большим током зарядки или коротким замыканием.

При перегрузке литий-ионной батареи активный металл (литий) осаждается на аноде. При этом резко возрастает опасность воспламенения, которое может произойти из-за реакций с различными материалами, в том числе, с электролитом и материалами катода. Воспламенение может вызвать, например, выделившийся при реакции литий/углеродного компаунда с водой водород. Такой материал катода как LiCoO₂ в 4.3 В батарее вступает в реакцию с электролитом при температуре 175 °С.

С другой стороны, заряд батареи при низкой температуре тоже уменьшает срок ее службы. В этом случае ионы лития осаждаются на аноде и создают слой лития, который вступает в реакцию с электролитом. При этом ионы лития безвозвратно теряются, и уменьшается емкость батареи.

Необходимо контролировать температуру батареи при зарядке. Ток и напряжение в режиме зарядки должны регулироваться таким образом, чтобы удерживать температуру батареи в пределах, указанных производителем. Обычно для контроля и защиты литий-ионных батарей от превышения температуры используется термистор. Как правило, литий-ионные батареи нельзя заряжать при температуре ниже 0 °С и выше 45 °С, а разряжать батарею не следует при температуре свыше 65 °С.

Батарея считается глубоко разряженной, когда ее напряжение становится менее 3.0 В. Для предупреждения этого состояния используется предохранительный (флажковый) таймер, сигнализирующий о падении напряжения на выходе батареи ниже 3.0 В во время специально оговоренного периода предзарядки. Этот же таймер часто используется для индикации внутреннего короткого замыкания батареи. Таймер быстрого заряда обеспечивает еще один уровень защиты – прекращение заряда при возникшей в системе неисправности.

Работа системы при глубоком разряде батареи

Во многих портативных приложениях желателен режим работы, при котором происходит заряд глубоко разряженной батареи, но в это время устройство продолжает работать в обычном режиме: пользователь может говорить по сотовому телефону, слушать музыку и т.д.

На рисунке 1 изображена схема заряда, при которой портативное устройство подключено непосредственно к батарее. Эта схема проста и экономична, но при прямом подключении батареи к нагрузке могут возникнуть проблемы. В такой схеме ток I_CHG зарядного устройства поступает не только в батарею, но еще и в системную нагрузку, поэтому нельзя контролировать эффективность заряда батареи, исходя из потребляемого тока.

Рис. 1. Структурная схема заряда батарей и архитектура силовой части системы

Если напряжение батареи менее 3.0 В, то производится предварительный заряд небольшим током. Ток I_SYS, потре бляемый устройством, уменьшает ток предварительного заряда и ток батареи, снижая тем самым эффективность заряда. Это обстоятельство не только увеличивает время заряда, но и может вызвать ложное срабатывание таймера предзаряда, т.к. напряжение батареи не превысит 3.0 В в течение заданного периода предварительного заряда. Возможно даже, что ток, потребляемый системой, превысит ток предварительного заряда, и тогда вместо заряда батарея будет продолжать разряжаться. К тому же, обычно минимальное напряжение для нормальной работы устройства составляет 3.0 В, и при более низком напряжении устройство не работает. Эти проблемы могут быть частично решены при питании батареи и системы через независимые цепи – при использовании так называемого метода управления потоком мощности (УПМ) или в англоязычной транскрипции – power-path management (PPM).

На рисунке 2 показана упрощенная схема, реализующая метод УПМ. Ключ Q1 используется также для установки выходного напряжения V_OUT на системной шине, например, на уровне 4.4 В. Ключ Q2 используется только для регулирования заряда батареи, что во многом позволяет преодолеть описанные выше сложности заряда, т.е. в этом случае гарантирована нормальная работа устройства независимо от состояния батареи.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема УПМ

Применяется также динамический УПМ (ДУПМ). В этом случае контролируется шина V_OUT. Если величина потребляемого тока превысит максимально возможную для адаптера или устройства USB, то напряжение V_OUT уменьшается, и конденсатор COUT начинает разряжаться. Когда величина уменьшится ниже заданного порога, ДУПМ уменьшает ток заряда, при этом общий потребляемый ток поддерживается равным максимально допустимому току.

Большинство устройств представляют собой динамическую нагрузку с большими пиковыми токами потребления, которые могут существенно превышать средний ток. Проектирование зарядного устройства, рассчитанного на пиковые токи, существенно его усложняет. Использование метода ДУПМ позволяет уйти от этих проблем и использовать зарядное устройство, соответствующее средней потребляемой мощности, а не пиковой, что также снижает стоимость зарядного устройства.

На рисунке 3 показан пример использования ДУПМ для заряда литий-ионных батарей. Обратная связь по температуре уменьшает зарядный ток при превышении температуры ключей свыше 125 °С. При уменьшении тока заряда из-за увеличения температуры или из-за ограничений по максимальному току время предварительного заряда автоматически возрастает, тем самым предотвращается преждевременное срабатывание таймера предзарядки.

Рис. 3. Зарядное устройство использующее метод динамического УПМ

Точность указателя заряда

Пользователи часто задаются вопросом, насколько хватит заряда батарей в том или ином портативном устройстве, как долго можно будет им пользоваться? Несколько штрихов индикатора заряда мобильного телефона могут и не дать ответа на этот вопрос. Индикация состояния заряда батареи (СЗБ) используется для различных целей: от простого предупреждения о разряде до действий системного характера, например, сигнализирует о необходимости перевода в режим пониженного энергопотребления с тем, чтобы предотвратить потерю важных данных. Ошибка при определении заряда батареи уменьшит время использования устройства конечным пользователем. Использование указателя заряда с погрешностью 10% означает то же самое, что использование батареи с емкостью на 10% меньшей или использование источников питания с пониженным на 10% КПД.

Корректно работающий указатель базируется на измерении напряжения и алгоритме подсчета заряда (coulomb counting) и дает ясное представление о состоянии батареи. Общепринятый метод для таких портативных устройств как мобильные телефоны основан только на измерении напряжения и отслеживании изменения сопротивления батареи во времени. Напряжение батареи выражается формулой (1).

(1) V_BAT = V_OCV – I·R_BAT;

где V_OCV – напряжение батареи при отключенной нагрузке;
R_BAT – внутреннее сопротивление батареи.

На рисунке 4 показано соотношение между напряжением батареи и показателем индикатора заряда. Многие пользователи, имеющие опыт работы со штриховым указателем заряда, сталкивались с внезапным переходом устройства в режим пониженного потребления, когда заряд Q_Use уменьшается ниже допустимого. Иначе работает метод подсчета заряда. Он основан на вычислении (интегрировании) израсходованного заряда и заранее определенного значения заряда батареи. Недостаток этого метода заключается в том, что довольно трудно определить полный заряд батареи, т.к. он зависит от температуры и старения батареи. Необходимо периодически проводить калибровочные циклы. В противном случае со временем погрешность метода будет возрастать. Чтобы избежать неожиданного перехода устройства в состояние пониженного энергопотребления, разработчик должен предусмотреть дополнительную емкость батареи, т.е. использовать избыточное решение, при котором энергия батареи окажется недоиспользованной.

Рис. 4. Рабочие характеристики указателя заряда батарей со штриховой индикацией, основанного на методе измерения напряжения

TI разработала и запатентовала технологию Impedance Track, которая позволяет определить оставшуюся емкость батареи гораздо точнее, чем каждый из описанных выше методов. Необходимо использовать оба метода, чтобы учесть эффекты старения, саморазряда и влияния температуры. Технология Impedance Track при первом измерении производит динамическое моделирование – чтобы изучить тенденцию изменения характеристик батареи, а затем аппроксимирует траекторию изменения этих характеристик – изменения емкости и импеданса батареи на весь срок службы. Технология позволяет почти в реальном времени получать информацию о батарее: времени ее работы без подзарядки, максимально допустимой температуре, максимальных токах заряда и разряда, числе циклов, максимальном напряжении.

Используется механизм самообучения, с помощью которого производится расчет Q_MAX для ненагруженной батареи, определяется эффект старения, приводящий к изменению внутреннего сопротивления батареи. Знание этого параметра позволяет довольно точно учесть влияние температуры и нагрузки, и в этом случае очень важно использовать точный указатель уровня заряда.

Для этой технологии необходима табличная база данных, определяющая сопротивление батареи R_BAT в функции глубины разряда и температуры. Чтобы понимать, можно ли использовать эту таблицу или ее надо корректировать, необходимо знать предысторию работы батареи. Для этого в энергонезависимую память записывается несколько пороговых значений тока, чтобы определить заряд, разряд и время релаксации – время необходимое для стабилизации напряжения батареи после циклов заряда или разряда.

Перед включением прибора технология Impedance Track определяет точное СЗБ посредством измерения напряжения батареи при разомкнутой схеме и коррелирует его с табличными значениями глубины разряда батареи и температуры. Когда устройство работает в активном режиме – нагрузка подключена – включается алгоритм подсчета заряда, путем интегрирования тока батареи (Q = ∫Idt) и, таким образом, определяется СЗБ.

Максимальный заряд батареи Q_MAX уменьшается, как правило, на 3–5% после 100 циклов «заряд/разряд». Чтобы узнать истинный Q_MAX, его необходимо вычислить и занести в таблицу. Для этого дважды измеряют показания батареи при разомкнутой схеме по истечении времени релаксации батареи, после заряда или разряда. Например, перед тем как батарея была разряжена, СЗБ составляло:

(2) СЗБ₁ = Q₁/Q_MAX;

где Q₁ – заряд батареи перед разрядкой.

После того как батарею разрядили, и заряд уменьшился на величину ΔQ, СЗБ выражается формулой (3)

(3) СЗБ₂ = Q₂/Q_MAX;

где Q₂ – заряд батареи после разрядки.

Из (2) и (3) получаем

(4) Q_MAX = ΔQ / |СЗБ₁ – СЗБ₂|;

где ΔQ = Q₁ – Q₂.

Выражение (4) показывает, что нет необходимости производить полный цикл заряда и разряда для определения емкости батареи. Внутреннее сопротивление R_BAT батареи в функции температуры и глубины разряда определяется формулой (5).

(5) R_BAT = (V_OC – V_L) / I_A;

где V_OC – напряжение батареи при разомкнутой схеме;
V_L – напряжение батареи под нагрузкой;
I_A – средний ток нагрузки.

Достоинством технологии Impedance Track является возможность определения момента, когда напряжение батареи достигнет предельного значения с учетом текущих значений температуры и нагрузки. Зная внутреннее сопротивление батареи, можно определить оставшуюся емкость, используя фирменный метод симуляции напряжения. Процесс начинается с текущего значения СЗБ₁, а будущее значение определяется при том же токе нагрузки посредством ступенчатого уменьшения СЗБ. Величина ступеньки мала, таким образом, число шагов достаточно велико, и вычисления производятся на каждом шаге. Когда вычисленное значение напряжения V_BAT(СЗБ₁; T) достигает предельного значения (обычно 3.0 В), состоянию батареи присваивается обозначение СЗБ_Финал, и остаточная емкость RM вычисляется по формуле (6).

(6) RM = (СЗБ₁ – СЗБ_Финал) × Q_MAX;

На рисунке 5 показана типичная схема применения технологии Impedance Track с использованием микросхемы указателя заряда bq27500-V120 в портативном медицинском устройстве. Компенсация эффекта старения, измерение сопротивления батареи производятся в реальном времени с каждым циклом разряда, соответственно модифицируется и таблица с параметрами батареи. Благодаря высокой точности измерения увеличивается срок службы батареи.

Рис. 5. Типичная схема применения технологии Impedance Track с использованием микросхемы указателя заряда

Заключение

Система управления батарейным питанием играет ключевую роль в безопасности эксплуатации батареи, предохраняя ее от перезаряда, глубокого разряда и выхода за пределы рабочего диапазона температур. Технология управления потоками мощности позволяет заряжать батарею при работающем устройстве, обеспечивая различные пути для токов, питающих устройство и батарею. Технология Impedance Track позволяет с высокой точностью (до 99%) определять уровень заряда батареи, обеспечивая полное использование батареи и увеличивая ее время работы без подзарядки.

Джинронг Киэн (Jinrong Qian), менеджер по применению аккумуляторных батарей, Texas Instruments