. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Napájení přenosných zařízení I – Čtyři napájecí články

Napájení přenosných zařízení I – Čtyři napájecí články

Přehled možných řešení napájení přenosných a mobilních zařízení, napájených z baterie, včetně hlavních úskalí volby vhodných koncepcí.

Energy Management for Small Portable Systems je název aplikační poznámky společnosti Maxim Semiconductor, shrnující systémy rodiny power managementu pro přenosné a mobilní aplikace, vybavené typicky 3- nebo 4-článkovou baterií. Součástí přehledu jsou optimální konfigurace pro step-up/down měniče, lineární regulátory, měniče napětí, nábojové pumpy a napájecí regulátory bez indukčností.

Typický konstruktér malých přenosných zařízení, napájených z baterie, musí v každé jednotlivé konstrukci řešit celou řadu různých omezení. Kromě těch zcela typických, jako je například omezení maximální velikosti či hmotnosti celého zařízení, bývá obvykle mnohem větším problémem dodržení minimální zaručené doby provozu, celkové životnosti napájecí baterie, případně i omezení nabíjecího proudu z hostitelského počítače a zajištění optimální správy napájení.

Jelikož se tyto požadavky mezi jednotlivými aplikacemi velice liší, není možné pro všechny mobilní aplikace doporučit jeden univerzální typ řešení napájení. Tak například měřicí přístroje jsou v provozu jen krátkou dobu a většinu času zatěžují napájecí baterie pouze svým klidovým proudem. Není zde tedy důležitá účinnost při plné zátěži, ale velký důraz je naopak kladen na klidový proud, přičemž jako zdroj energie mohou být použity klasické alkalické baterie. Zcela jiným příkladem jsou pak mobilní telefony, které se v první řadě musí vypořádat s vysokými hodnotami špičkového zatížení a velice častým provozem. Zde jsou naopak vhodnější nabíjecí baterie a vůbec celá napájecí sestava musí zajišťovat malý vnitřní odpor, velkou kapacitou a podporovat možnost rychlého dobíjení.

Samozřejmě jednotlivá omezení návrhu se vzájemně ovlivňují, takže například velikost přenosného zařízení přímo určuje maximální počet použitelných článků napájecí baterie. Na to úzce navazuje nejen omezení dostupné kapacity, ale v počtu článků (a typu baterie) je to v první řadě dostupný rozsah provozního napájecího napětí a od toho související náročnost a výrobní cena napájecích obvodů. Z toho pohledu existují pouze dva možné scénáře. V případě velkého počtu článků je možné použít jednoduché lineární regulátory a vůbec celý napájecí obvod zjednodušit, avšak pouze na úkor zvýšené hmotnosti a omezené účinnosti. Naproti tomu malý počet napájecích článků nutí konstruktéry do použití dražších spínaných regulátorů, což se však ospravedlňuje nízkými provozními výdaji a dobrou účinností.

Konstrukce se čtyřmi napájecími články
Použití čtyř samostatných napájecích článků bývá v konstrukcích často atraktivním kompromisem mezi hmotností a maximální délkou provozu. Tento počet je zvláště výhodný v případě použití klasických a alkalických baterií, které jsou obvykle dodávány v sadách po čtyřech (nebo násobcích). Vytvoření napájecího napětí 5 V ze čtyř článků o napětí typ. 1,5 V nepředstavuje na první pohled žádný velký problém. Avšak jak se baterie postupně vybíjí a klesá jí svorkové napětí, je vodné použít nejprve snižující a později naopak zvyšující spínaný regulátor. Tímto se nám zcela vylučují jednoduché, jednoúčelové topologie napájecích regulátorů, které jsou schopny provozu buď pouze ve snižujícím, nebo naopak zvyšujícím zapojení.

Jedním z možných řešení tohoto problému je použití regulátoru s jedním koncem primárního vinutí – SEPIC (single-ended primary inductance converter), ve kterém je výstupní napětí Vout kapacitně vázáno na spínací obvody (obr. 1). Absence transformátoru je jednou z několika nesporných výhod, které má tato konfigurace oproti obvyklému flyback-transformátorovému regulátoru nebo kombinaci zvyšujícího a lineárního regulátoru.


Obr. 1: Příklad možné konfigurace napájecího zdroje se step-up regulátorem MAX1771. Výstupní napětí +5 V je dostupné při vstupním napětí v rozmezí zhruba od 3 V do 8 V. Výhodou regulátoru je plynulý provoz, kdy při přechodu mezi zvyšujícím a snižujícím převodem nevznikají žádné výpadky nebo přechodové stavy. Při vypnutí se výstup zcela odpojí a zdroj nevyžaduje žádný proud.

Další předností, ve srovnání s klasickou koncepcí zvyšujících regulátorů (v nichž je potřeba použít výstupní vypínač, jinak z baterie teče do zátěže trvalý proud - viz obr. 2), je kapacitní oddělení výstupu obvodu SEPIC a tedy úplné odpojení v případě vypnutí (zakázání) zdroje. Pokud vstupní napětí Vin během normálního provozu klesne pod úroveň Vout, dojde k plynulému přepnutí regulátoru do zvyšujícího režimu a to aniž by se při tom dal zaznamenat jakýkoliv výpadek výstupního napětí. Při výstupním proudu 200 mA dosahuje regulátor maximální účinnosti až 86% (obr. 1).


Obr. 2: Typická konfigurace zvyšujícího DC/DC regulátoru umožňuje tok proudu do zátěže i ve chvíli, kdy je zdroj vypnut. Jediným řešením přerušení je použití výstupního vypínače (Q2).

Indukčnosti L1 a L2 (obr. 1) by měly být stejného typu a hodnoty, ale vzájemná magnetická vazba není nutná. Pro zjednodušení konstrukce mohou být obě umístěny na společném jádře, ale obvod pracuje stejně dobře i v případě, kdy jsou vzájemně oddělené. Při provozu je každá z nich zatížena pouze jednou polovinou spínacího proudu (IPEAK = 100mV/R1 = 1,22 A), což nám dává více možností v odpovídajícím způsobu realizace.

Jelikož kondenzátor C2 slouží k přenosu veškerého výkonu, je nutné použít typ s nízkým vnitřním sériovým odporem (ESR), neboť se zde pracuje se špičkovým napětím a relativně velkými proudy. Pro srovnání, například Low-ESR kondenzátor typu SANYO® OS-CON nabízí až o 3% lepší účinnost, než srovnatelný, avšak levnější 1µF keramický kondenzátor. Zásadně se zde nedoporučuje používat tantalové kondenzátory, protože jejich poměrně vysoké ESR vede k výrazným tepelným ztrátám a výraznému zvlnění výstupního proudu.

Dioda D2 přivádí napájecí napětí na řídicí obvod MAX1771 (pin 2) tak, že zachycuje a usměrňuje spínací impulsy na pinu Drain tranzistoru Q1. I když toto řešení (rovnající se přibližně součtu napětí VIN a VOUT) omezuje maximální vstupní napětí zdroje na 8 V, pomáhá zlepšit start obvodu za plného zatížení a zároveň, použitím externího tranzistoru MOSFET, zlepšuje účinnost systému při nízkém napájecím napětí. Pokud v aplikaci nemůže dojít k poklesu VIN pod 4V, je možné využít prahové hodnoty Q1 FET na 3 V a vynechat diodu D2. V tomto případě se pin č. 2 řídicího obvodu připojuje přímo k napětí VIN, což nám horní hranici vstupního napětí zdroje posouvá až k hodnotě 16,5 V.

V dalším pokračování článku o napájení malých přenosných zařízení se zaměříme na aplikace se třemi články a spínaný regulátor s nízkým úbytkem napětí.

Odkazy & Download:
Domovská stránka výrobce
Přehled distributorů
Energy Management for Small Portable Systems







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Aktivní GPS anténa 2JM011
Aktivní anténa GPS zajišťuje kvalitní a čistý signál i za zhoršených podmínek.
od 172 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007