Эффективное управление питанием портативных устройств

Энергопотребление электронного устройства является важной характеристикой, влияющей на выбор того или иного изделия. В особенности, это актуально для портативных устройств, которые в силу своих массогабаритных показателей имеют острый энергодефицит.

В схеме любого электронного устройства имеется блок питания: в простейшем случае представляющий напрямую подключенную батарейку, более сложный - параметрический стабилизатор или, имеющий наиболее расширенные характеристики, импульсный источник питания. От эффективности работы блока питания зависит потребление всей системы.

Microchip Technology Inc., являющийся мировым лидеров в производстве сверхнизкопотребляющих микроконтроллеров по технологии XLP, предлагает разработчикам широкий спектр компонентов для построения эффективных питающих цепей электронных устройств.

Вторым аспектом энергопитания портативного устройства является заряд встроенных аккумуляторов. На современном рынке представлены аккумуляторные батареи, производимые по разным технологиям, наиболее востребованными из которых являются Ni-MH, Li-Ion и Li-Po. Для их корректной работы в цикле заряда требуется специальный контроллер заряда, который поддерживает оптимальные параметры работы, а также защищает батареи от разрушения. Последнее особенно важно для Li-Po батарей, т.к. их разрушение в процессе работы сопровождается возгоранием.

В портфолио Microchip также есть микросхемы для управления зарядом аккумуляторов.

Микросхемы источников питания, производимые Microchip, можно разделить на линейные стабилизаторы с низким падением напряжения (LDO, Low DropOut) и на импульсные стабилизаторы, которые, в свою очередь, делятся на инверторы (boost, buck) и схемы на переключаемых конденсаторах (charge pump).

Контроллеры заряда аккумулятора условно делятся на три подсемейства по комплексности и наборе функций.

Рассмотрим подробнее характеристики и функции представленных микросхем.

Линейные стабилизаторы LDO

Основными преимуществами линейных стабилизаторов являются простота, отсутствие наводимых помех и минимум элементов.

Наиболее актуальными к применению линейными стабилизаторами являются микросхемы семейств MCP1703 и MCP1790. Основные параметры микросхем представлены в таблице 1.

Таблица 1. Линейные стабилизаторы

	MCP1703	MCP1790/ MCP1791
Входное напряжение, В	2,7..16	6..48
Входное напряжение в продолжительном режиме, В	16	30
Выходное напряжение, В	1,2 - 1,5 - 1,8 - 2,5 - 2,8 - 3,0 - 3,3 - 4,0 - 5,0	3,0 - 3,3 - 5,0
Выходной ток, макс, мА	250	70
Собственный ток потребления	2,0 мкА	70 мкА
Точность регулирования	±0,4% при +25°C и ±3% во всем диапазоне температур	±2,5% во всем диапазоне температур
Диапазон рабочих температур	-40°C..+125°C	-40°C..+125°C
Защита по температуре	+	+
Защита по короткому замыканию	+	+

MCP1703 представляет из себя линейный регулятор напряжения с низким падением напряжения и со сверхнизким собственным током потребления. Широкий диапазон входного напряжения - от 2,7 до 16 В - делают его незаменимым для систем с питанием от набора щелочных батарей, 9В батарей, Li-Ion аккумуляторов. Максимальный выходной ток стабилизатора составляет 250 мА, типовое значения собственного тока потребления - 2 мкА.

Выходное напряжения регулятора - фиксированное и выбирается из стандартного ряда 1,2 - 1,5 - 1,8 - 2,5 - 2,8 - 3,0 - 3,3 - 4,0 - 5,0 В. Заводская точность калибровки напряжения составляет 3%, линейность регулятора - 0,1%. Выходное напряжение закодировано в обозначении позиции - первые две цифры после дефиса, например, MCP1703T-3302E/CB - стабилизатор с выходным напряжением 3,3 В.

Встроенные защиты от короткого замыкания и перегрева позволяют применять эти микросхемы в высоконадежных применениях. Для стабильной работы микросхем требуются только керамические конденсаторы 0,1 мкФ.

MCP1790 и MCP1791 ориентированы, в первую очередь, на автомобильное применение 12/24 В, т.к. имеют максимально допустимое входное напряжение 48 В. Выходное напряжение - заданные производителем 3,0 - 3,3 - 5,0 В с точностью 0,2% и регулированием 0,0002%.

Максимальный выходной ток - 70 мА, зависит от диапазонов напряжения и типа корпуса. Например, стабилизатор MCP1790 в корпусе SOT-223-5 может обеспечить в течении продолжительного времени выходной ток 50 мА при напряжении 5 В и входном напряжении до 24 В. Помимо этого, микросхема нормально работает и с импульсами тока, превышающими 70 мА - специальная защитная цепь позволяет иметь кратковременные превышения токовой нагрузки, при этом надежно защищая от короткого замыкания и перегрева.

MCP1791 имеет дополнительный вход разрешения работы и вывод готовности питания.

Импульсные преобразователи напряжения на микросхемах Microchip

Как было замечено выше, Microchip производит микросхемы для различных импульсных преобразователей. Они имеют большие возможности по регулированию, в т.ч. могут работать в режиме повышения напряжения, что в принципе не возможно в линейных стабилизаторах. Общими недостатками импульсных преобразователей являются пульсации выходного напряжения и больший фон наводимых помех.

Преобразователи на переключаемых конденсаторах

Применение преобразователей на переключаемых конденсаторах (charge pump) обосновано в недорогих устройствах с компактными размерами. Это обусловлено тем, что для работы преобразователя требуется только пара внешних конденсаторов и не нужны индуктивные элементы, которые составляют значительную часть стоимости и занимают место. Недостатком преобразователей этого типа является невысокая эффективность, падающая, при некоторых условиях, с 90% до 50%.

Микросхемы семейства MCP1259 - контроллеры charge pump. Семейство представлено 4-мя микросхемами с похожей функциональностью, отличающиеся набором сервисных функций (см. таблицу 2).

Таблица 2. Семейство MCP1259

	MCP1256	MCP1257	MCP1258	MCP1259
Режим Sleep	+	+	-	-
Индикатор работы	+	-	+	-
Индикатор низкого уровня батареи	-	+	-	+
Сквозной режим Bypass	-	-	+	+

Преобразователи на основе MCP1259 позволяют получить выходное напряжение 3,3 В при входном от 1,8 до 3,6 В. Они ориентированы на применения в схемах питания микроконтроллеров на основе 2-х щелочных, Ni-Cd или Ni-MH батарей или одной литиевой батарей.

Для повышения эффективности преобразования применяется 1,5- или 2-кратная накачка. Частота преобразования фиксирована - 650 КГц.

Типичная схема преобразователя представлена на рис.1.

Рис. 1. Преобразователь на MCP1256

INPUT - Вход, OUTPUT - Выход, Power-Good Indication - "Питание OK", ON/OFF - Вкл/Выкл

Преобразователи на индуктивных элементах

Наибольшую эффективность имеют импульсные преобразователи с индуктивными элементами. Для портативных применений наиболее интересны повышающие DC/DC преобразователи, позволяющие минимизировать размеры как самой схемы, так и первичного элемента питания - батареи. Подходящей топологией для такого типа преобразователя является boost-преобразователь.

Схема boost-преобразования показана на рис.2.

Рис. 2. Схема повышающего преобразования

Поддержание заданного выходного напряжения во всем диапазоне токов нагрузки производится адаптивным управлением ключевым элементом. В основном, используется ШИМ, но в зоне низких выходных токов широтно-импульсная модуляция становится неэффективной. Поэтому современные boost-контроллеры имеют возможность переключения в режим ЧИМ при малых нагрузках, который более эффективен в этих условиях.

Microchip предлагает контроллеры повышающих DC/DC преобразователей - MCP1624 и MCP1640. Это полностью интегрированные компактные микросхемы, требующие только внешнюю индуктивность.

MCP1624 ориентированы на токи нагрузки до 175 мА, MCP1640 - до 350 мА.

Низковольтная технология Microchip, по которой разработаны эти преобразователи, позволяют им уверенно запускаться на напряжениях выше 0,65 В, а работать - вплоть до 0,35 В. Выходное напряжение задается внешним резистивным делителем и может лежать в диапазоне 2,0..5,5 В.

MCP1623 работает только в режиме ШИМ, на частоте 500 КГц. Контроллер MCP1624 автоматически переключается в режим ЧИМ при снижении выходного тока для повышения эффективности работы конвертора.

Аналогично, микросхемы MCP1640 и MCP1640C имеют функцию автоматического переключения, а MCP1640B и MCP1640D работают только в режиме ШИМ.

При этом, MCP1640 и MCP1640В отключают нагрузку в выключенном режиме, а MCP1640C и MCP1640D подают напряжение питания со входа на выход (см. таблицу 3).

Таблица 3. Функции MCP1640

	MCP1640	MCP1640B	MCP1640C	MCP1640D
Автоматическое переключение ШИМ/ЧИМ	+	Только ШИМ	+	Только ШИМ
Режим отключения	Разрыв цепи	Разрыв цепи	Сквозной режим Bypass	Сквозной режим Bypass

Схема DC/DC преобразователя на основе MCP1624 показана на рис.3.

Рис. 3. Преобразователь на MCP1624

Контроллеры заряда аккумулятора

Microchip Technology Inc. производит три популярных семейства микросхем контроллеров заряда аккумуляторных батарей: MCP73811, MCP73831 и MCP73853. Они предназначены для простой реализации заряда 1 ячейки Li-Ion или Li-Po аккумулятора. Для заряда 2 ячеек применяются семейства MCP73842 и MCP73862. Характеристики и особенности микросхем заряда 1 ячейки представлены в таблице 4.

Таблица 4. Сводные характеристики микросхем заряда 1 ячейки

	MCP73811	MCP73831	MCP73853
Силовой транзистор	+	+	+
Токовый сенсор	+	+	+
Защита от переполюсовки	+	+	+
Контроль температуры	+	+	+
Вход внешнего термодатчика	-	-	+
Выходное напряжение, В	4,2	4,2 - 4,35 - 4,4 - 4,5	4,1 - 4,2
Точность выходного напряжения	1%	0,75%	0,5%
Ток заряда, мА	50 - 500	15 - 500	15-500
Окончание заряда	внешнее	внутреннее	внутреннее
Таймеры заряда	-	-	+
Светодиоды состояния	-	+	+
Корпуса	SOT23-5	SOT23-5, DFN-8	DFN-10, QFN-16

Необходимой функциональностью, минимальными габаритами и ценой обладают контроллеры семейства MCP73811. Они обеспечивают заряд одной ячейки Li-Ion или Li-Po батареи за минимально возможное время, поддерживая постоянный ток и постоянное напряжение в различных фазах заряда. Для работы микросхемы требуется минимум внешних компонентов (2 керамических конденсатора), т.к. все необходимые компоненты интегрированы: силовой транзистор, токовый сенсор, защита от переполюсовки. Все это делает MCP73811 идеальной для применений в простых зарядных устройствах, в т.ч. с питанием от USB, дешевых портативных устройствах, игрушках.

Возможность заряда глубоко разряженных батарей, а также отключения заряда реализовано в старших семействах контроллеров.

В MCP73831 реализована возможность задания тока предзаряда, встроены контроль и защита по температуре. Указанные возможности позволяют применить это семейство в сложных комплексных разработках, в т.ч. со встроенными аккумуляторами, например, карманные приборы, сложные USB изделия, медицинская техника. Наибольшими возможностями по обслуживанию аккумуляторных батарей обладают микросхемы семейства MCP73853. Помимо основных функций, реализованных в младших семействах, MCP73853 имеет возможность подключения внешнего температурного датчика (встроенного непосредственного в батарею), а также таймеры принудительного отключения заряда. Для сигнализации текущего состояния аккумулятора есть возможность подключения светодиодов. Область применения этих контроллеров расширяется на сложные зарядные устройства и док-станции.

Итого, Microchip Technology Inc. предлагает разработчику микропотребляющих, портативных и миниатюрных устройств весь перечень необходимых микросхем: микроконтроллеры с развитой периферией и технологией XLP, линейные стабилизаторы питания, микросхемы низкопотребляющих DC/DC преобразователей и контроллеры заряда аккумуляторных батарей.

Дополнительную информацию по указанной продукции, инструкции по применению, отладочные средства доступны на сайте www.microchip.com

• www.microchip.com/battery
• www.microchip.com/dcdc

Сафронов Алексей,
Компания Гамма Санкт-Петербург