Технология на батериите за преносими електронни устройства

Въведение

Днес технологията за батерии в преносимите електронни устройства включва различни аспекти като алгоритми за откриване на мощност, алгоритми за зареждане на батерии и техники за зареждане на батерии. Акумулаторните батерии се предлагат в няколко вида, включително никел-кадмиеви, никел-метал хидридни, литиево-йонни и литиево-полимерни батерии. Въпреки че всеки от тези типове батерии има своите характеристики, литиево-йонните и литиево-полимерните батерии се превърнаха в идеалния избор за малки, дълготрайни устройства като лаптопи и базирани на твърд диск преносими медийни плейъри (PMP) поради тяхната енергийна плътност и функции за безопасност. За инженерите, работещи с преносима електроника, е от решаващо значение правилно да изберат и приложат технологията на батерията и тази статия ще обсъди и анализира тези аспекти с практически примери.

1. Алгоритми за зареждане на батерията: плавно зареждане, бързо зареждане и зареждане с постоянно напрежение

В зависимост от енергийните изисквания на крайното приложение, една батерия може да съдържа до четири литиево-йонни или литиево-полимерни клетки, конфигурирани по различни начини и захранвани от основен адаптер: директен адаптер, USB интерфейс или зарядно за кола. Въпреки разликите в броя на клетките, тяхната конфигурация или вида на захранващия адаптер, тези батерии споделят едни и същи характеристики на зареждане и следователно алгоритмите за зареждане са сходни. Оптималният алгоритъм за зареждане на литиево-йонни и литиево-полимерни батерии може да бъде разделен на три етапа: бавно зареждане, бързо зареждане и зареждане с постоянно напрежение.

Поточно зареждане: Използва се за дълбоко разредени клетки. Когато напрежението на клетката падне под приблизително 2,8 V, се прилага постоянен ток от 0,1 C за зареждане на клетката.

Бързо зареждане: След като напрежението на клетката превиши прага на бавното зареждане, токът на зареждане се увеличава за бързо зареждане. Токът на бързо зареждане трябва да бъде по-малък от 1.0C.

Зареждане с постоянно напрежение: По време на бързо зареждане, след като напрежението на клетката достигне 4,2 V, започва фазата на постоянно напрежение. Зареждането се спира, когато минималният заряден ток падне под около 0,07C или таймер задейства прекъсването.

Усъвършенстваните зарядни устройства за батерии обикновено идват с допълнителни функции за безопасност. Например, ако температурата на батерията надхвърли определения диапазон (обикновено от 0°C до 45°C), процесът на зареждане ще спре. Съвременните решения за зареждане на литиево-йонни и литиево-полимерни батерии интегрират или включват външни компоненти, за да следват тези характеристики на зареждане, осигурявайки по-добра ефективност и безопасност.

2. Решения за зареждане на литиево-йонни/полимерни батерии

Решението за зареждане на литиево-йонни/полимерни батерии варира в зависимост от броя на клетките, тяхната конфигурация и вида на захранването. Има три основни решения за зареждане: линейно, Бък (понижаващо) превключване и SEPIC (усилващо и понижаващо) превключване.

2.1 Линейно решение

Когато входното напрежение е малко по-високо от напрежението на отворена верига на напълно заредена клетка, линейното решение е най-добрият вариант. Това е особено ефективно, когато токът на бързо зареждане от 1.0C не е много по-голям от 1A. Например, един MP3 плейър обикновено използва една клетка с капацитет от 700 до 1500 mAh и напрежение на отворена верига от 4,2 V. Тези устройства обикновено използват AC/DC адаптер или USB интерфейс с регулиран 5V изход. В такива случаи линейното зарядно устройство е най-ефективното и лесно решение.

Примерно приложение: MAX8677A зарядно устройство с двоен вход Ли+: MAX8677A е линейно зарядно устройство с USB/AC адаптер с двоен вход и вграден интелигентен селектор на мощността, подходящо за преносими устройства, захранвани от едноклетъчна Ли+ батерия. Зарядното устройство превключва между входовете на мощност и оптимално зарежда батерията. Той също така включва ограничаване на тока, термично регулиране, защита от пренапрежение и други, осигуряващи безопасно и ефективно зареждане на устройства като смартфони, PDA устройства, камери и GPS устройства.

2.2 Решение за превключване на Бък (стъпка-надолу).

За случаите, когато токът на зареждане от 1.0C надвишава 1A или когато входното напрежение е много по-високо от напрежението на отворена верига на батерията, решението Бък (понижаващо) е по-добър избор. Например преносимите медийни плейъри с една литиево-йонна клетка и широк обхват на входното напрежение (9V до 16V) ще се възползват от това решение, тъй като е по-ефективно от линейното зареждане, когато има значителна разлика в напрежението между входа и напрежението на батерията.

2.3 Решение за превключване SEPIC (стъпка-нагоре и стъпка-надолу).

За устройства с три или повече литиево-йонни/полимерни клетки, свързани последователно, където входното напрежение не винаги е по-високо от напрежението на батерията, решението SEPIC е идеално. Например, лаптопите обикновено използват 3-клетъчна литиево-йонна батерия с напълно заредено напрежение на отворена верига от 12,6 V. Преобразувателят SEPIC може да се справи и с двата сценария: когато изходното напрежение е по-високо или по-ниско от напрежението на батерията.

3. Алгоритъм за откриване на мощност

Много преносими продукти разчитат на измерване на напрежението за оценка на оставащия капацитет на батерията, но точността на този метод може да бъде значително повлияна от скоростта на разреждане, температурата и стареенето на батерията. За постигане на по-прецизна оценка на капацитета на батерията, измервателите на мощност се използват за измерване на заряда, добавен или изразходван от батерията, осигурявайки по-точни оценки в широк диапазон от нива на мощност на приложения.

3.1 Примерно приложение на алгоритъм за откриване на мощност: Пълен дизайн на преносимо приложение с единична/двойна батерия

Добрият електромер за откриване на батерия трябва поне да измерва напрежението, температурата и тока на батерията. Микропроцесорът и набор от добре тествани алгоритми за откриване на мощност са от съществено значение. Например, електромерите bq2650x и bq27x00 са оборудвани с ADC за измерване на напрежение, температура и ток и интегрират алгоритмите за откриване на мощност на TI, за да компенсират саморазреждането, стареенето, температурата и скоростта на разреждане. Тези измервателни уреди предоставят информация за оставащия капацитет на батерията, а серията bq27x00 дори предоставя приблизително време за работа до изпразване.

3.2 Примерно приложение на алгоритъм за откриване на мощност: Нова интегрална схема за електромери с общо предназначение

Няколко производители предлагат широка гама от интегрални схеми за измерване на мощност, което позволява на потребителите да изберат най-подходящото устройство за оптимизиране на рентабилността на продукта. Например, DS2762 от Далас полупроводник е евтин, силно интегриран електромер, подходящ за мобилни телефони, PDA устройства и други подобни преносими устройства. Той съчетава откриване на мощност със защита от пренапрежение, ниско напрежение и свръхток. DS2762 също предлага токоограничаващ възстановителен път за зареждане, когато напрежението на батерията падне под 3V, осигурявайки ефективно управление на захранването.

4. Заключение

Правилното прилагане на технологията за батерии в преносими електронни устройства е от решаващо значение за избора на литиево-йонни или литиево-полимерни батерии и техните зарядни устройства. Изборът трябва да се направи въз основа на специфичните изисквания на преносимото електронно устройство.