Батарейная защита не работает

Коммутация и защита в системах с батарейным питанием

Linear Technology LTC4231

Pinkesh Sachde, Linear Technology

Введение

Электроника с батарейным питанием создает множество проблем для инженера, занимающегося энергопитанием системы. В общем случае, часть схемы, относящаяся к батарее (до DC/DC преобразователя), может быть разделена на четыре секции: коммутирующую, зарядную (в случае использования аккумуляторов), контрольную и защитную. Коммутирующая секция осуществляет выбор одного из нескольких источников питания, доступных в типичной системе, таких как сетевой адаптер, порт USB и внутренняя батарея. При этом схема зарядки должна быть настроена на конкретный тип аккумулятора. Схема контроля следит за напряжением батареи, зарядом и температурой, использование значений которых наряду со схемой защиты повышает надежность устройства. В этой статье мы рассмотрим возможности и преимущества, предоставляемые новым микромощным устройством защиты батарей, идеально подходящим для различных приложений с аккумуляторным питанием – от автомобильного и медицинского оборудования до бытовой техники.

Особенности конструирования устройств с батарейным питанием

Даже простейшие проблемы, связанные с батареями, а не только пожары и взрывы, могут запятнать репутацию продукта. Поэтому вопросам, связанным с безопасностью батарей, необходимо уделять самое пристальное внимание. Для каждого аккумулятора указываются допустимые значения токов заряда и разряда. Превышение этих значений приводит к перегреву аккумулятора, который не только сокращает срок его службы, но и в худшем случае может стать причиной взрыва. От перегрузки по току схему можно защитить с помощью предохранителей, однако они громоздки, медленны и имеют большой разброс порогов срабатывания (Рисунок 1). Для защиты от необратимых повреждений аккумуляторы должны отключаться от нагрузки прежде, чем достигнут состояния глубокого разряда. Для Li-Ion аккумуляторов с напряжением 3.7 В этот уровень составляет примерно 2.5 В. Для отключения аккумулятора от нагрузки необходима функция блокировки при пониженном напряжении. Это можно сделать с помощью устройства, состоящего из компаратора, источника опорного напряжения и твердотельного ключа. Для включения P-канального MOSFET верхнего плеча не нужен зарядовый насос, что уменьшает расход заряда батареи, но выбор P-канальных MOSFET ограничен, и они более дороги, чем N-канальные при том же сопротивлении канала. Напротив, N-канальные MOSFET ключи нижнего плеча более эффективны, и могут использоваться, если линия «земли» не требует соединения с защитным заземлением. Порог блокировки при пониженном напряжении должен иметь достаточный гистерезис, в противном случае схема будет генерировать, циклически выключаясь, а затем вновь включаясь после восстановления напряжения батареи при отсоединенной нагрузке.

Рисунок 1.	Возможный вариант защиты батареи и нагрузки с помощью схемы на дискретных компонентах.

Закончив с защитой аккумулятора, мы должны перейти к защите нагрузки. Ограничители бросков напряжения работают лишь в течение коротких отрезков времени, пока продолжается звон или выброс напряжения, но сгорают при длительных или постоянных перенапряжениях. Поэтому для защиты нагрузки от повышенного входного напряжения потребуется еще один компаратор. Если батарея подключена неправильно, и полярность перепутана, нагрузка, не способная противостоять отрицательным напряжениям, может быть повреждена. Для защиты от отрицательного напряжения часто включают последовательный диод. Однако этот диод рассеивает значительную мощность, а прямое падения напряжения существенно уменьшает напряжение на нагрузке.

Итак, мы видим, что для обеспечения комплексной защиты систем с батарейным питанием требуется множество дискретных компонентов и схем. В то же время, потребляемый этими схемами ток должен быть очень низким, чтобы не сокращать ресурс батареи. Например, модули автомобильной электроники должны иметь ток покоя менее 100 мкА, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею при длительной стоянке автомобиля. Для отключения от аккумуляторной батареи сильноточных схем могут использоваться реле. Кроме того, реле используются для включения и выключения нагрузки, однако их большие размеры препятствуют миниатюризации электронных схем. Очевидно, что необходим более эффективный и простой способ защиты.

Энергоэффективное решение для контроля и защиты систем с батарейным питанием

LTC4231 – это контроллер горячей замены с ультранизким током потребления, обеспечивающий безопасную установку и изъятие плат или батарей в системах с напряжением питания от 2.7 В до 36 В (Рисунок 2). Интервал 2.7 В … 36 В покрывает широкий диапазон типов аккумуляторов, включая свинцово кислотные, Li-Ion и многоэлементные NiMH, NiCad или щелочные батареи.

Рисунок 2.	Контроллер горячей замены и разъединитель нагрузки LTC4231, потребляющий всего 4 мкА, идеален для систем с батарейным питанием.

LTC4231, управляя внешними N-канальными MOSFET с низкими сопротивлениями каналов, плавно заряжает конденсаторы печатной платы, не допуская искрения, обгорания контактов разъемов и сбоев системы. Параметры мягкого запуска и предельный уровень пускового тока легко устанавливаются с помощью RC-цепочки, подключенной к затвору MOSFET. В нормальном режиме работы (MOSFET полностью открыты) синхронизируемый разъединитель цепи и схема быстрого ограничения тока обеспечивают двухуровневую защиту от перегрузки по току. При небольших перегрузках активируется таймер отказов, и по истечении задаваемого им временного интервала открывается MOSFET, который отключает нагрузку. При тяжелых перегрузках или при коротких замыканиях активируется таймер отказов, а ток нагрузки ограничивается на уровне 60% от порога срабатывания разъединителя. В зависимости от варианта исполнения микросхемы, LTC4231 после перегрузки либо остается выключенной (LTC4231-1), либо автоматически включается после охлаждения в течение 500 мс (LTC4231-2).

Цепь защиты от пониженного напряжения отключает батареи, не допуская их глубокого разряда, а регулируемый гистерезис предотвращает генерацию при восстановлении батареи после удаления нагрузки. Узел защиты от повышенного напряжения отсоединяет нагрузку, предохраняя ее от повреждения. Кроме того, управляя встречно включенными N-канальными MOSFET (Рисунок 3), LTC4231 защищает последующие цепи от переполюсовки батарей с напряжением до 40 В. Если защита от переполюсовки не нужна, будет достаточно одного MOSFET.

Рисунок 3.	Когда батарея подключена неправильно, то есть, входное напряжение равно –24 В, LTC4231 защищает нагрузку, блокируя прохождение отрицательного напряжения на выход. Для защиты от переполюсовки используются встречно включенные MOSFET (показанные на Рисунке 2).

Несмотря на столь большое количество выполняемых функций, устройство в нормальном режиме работы потребляет менее 4 мкА, а при переходе в режим останова ток уменьшается до 0.3 мкА, и выключается внешний N-канальный MOSFET, чтобы отсоединить нагрузку и не расходовать энергию батарей. Для снижения рабочего тока резистивные делители, задающие пороги включения защиты при повышенном и пониженном напряжении, подключаются к стробируемой земле, благодаря чему протекающий через них средний ток уменьшается в 50 раз.

Технологии снижения собственного тока потребления

Рисунок 4.	Для снижения потребляемого тока LTC4231 периодически активирует зарядовый насос лишь на время, необходимое для восстановления напряжения на затворе MOSFET.

В LTC4231 реализованы две инновационные технологии, снижающие потребляемый ток во время нормального режима работы, и обеспечивающие уровень защиты, не худший, чем у других устройств, потребляющих несоизмеримо бóльшие токи. Для включения внешнего N-канального MOSFET и снижения сопротивления его канала в LTC4231 используется внутренний зарядовый насос, за счет которого напряжение на затворе превышает входное напряжение не менее чем на 10 В. В других контроллерах зарядовый насос работает постоянно, даже после того, как поданный на затвор управляющий сигнал открыл транзистор, то есть, фактически на холостом ходу, что существенно увеличивает потребление тока. Напротив, LTC4231 отключает зарядовый насос после того, как напряжение на затворе MOSFET достигнет пикового значения. Если напряжение на затворе снижается вследствие утечки, зарядовый насос включается, чтобы передать импульс заряда и восстановить напряжение затвора. Это иллюстрируется Рисунками 4 и 5 для токов утечки затвора 0.1 мкА и 1 мкА. Такая технология позволяет уменьшить потребляемый зарядовым насосом ток в 50…100 раз, поскольку ток 200 мкА включенного зарядового насоса в спящем режиме падает до 2 мкА.

Рисунок 5.	Период регенерации напряжения затвора MOSFET показан для двух различных значений токов утечки. (Здесь ΔVGATE – напряжение затвор-исток; IGATE – ток утечки затвора; ICC – ток, потребляемый микросхемой LTC4231).

Второй способ снижения потребляемого LTC4231 тока основан на периодической, каждые 10 мс, выборке входного напряжения и сравнения его с порогами недо- и перенапряжения. Для этого внешний резистивный делитель напряжения подключается к земле не напрямую, а через стробируемый узел GNDSW (Рисунок 6). Периодическая выборка снижает ток, потребляемый делителем, в 50 раз, что определятся соотношением периода выборки (10 мс) и окна выборки (200 мкс). Компараторы, контролирующие выводы UVL, UVH и OV, включаются только во время окна выборки, благодаря чему потребляемый ими средний ток также уменьшается в 50 раз. Периода выборки 10 мс для устройств с батарейным питанием вполне достаточно, поскольку напряжение на батарее меняется медленно. Однако если выход напряжения за верхнюю или нижнюю границу разрешенного диапазона фиксируется при включении системы, LTC4231 удерживает MOSFET в закрытом состоянии, чтобы исключить проникновение недопустимого напряжения в нагрузку.

Рисунок 6.	Для снижения потребляемого тока в 50 раз напряжения сравниваются с порогами только внутри окон 200 мкс каждые 10 мс (коэффициент заполнения 2%). На время выборки вывод GNDSW подключается к шине GND через внутренний ключ с сопротивлением 80 Ом.

Заключение

Функциональность, портативность и удобство пользования множества новых электронных приложений – беспроводных датчиков, спортивных браслетов, очков виртуальной реальности, дронов, роботов – требуют использования в них автономного питания. Аккумуляторы с высокой плотностью энергии, такие как Li-Ion, в глазах общественного мнения являются источником опасности. LTC4231 обеспечивает простое, компактное и надежное микромощное решение для горячего подключения и замены батарей, особенно в энергоемких приложениях, защищая систему от глубокого разряда аккумуляторов, перегрузки или короткого замыкания выхода, перенапряжения и неправильной полярности подключения батарей.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Обзор ИБП POWERCOM WOW-500U

Сегодня в нашей лаборатории тестируется ИБП производства фирмы POWERCOM. Компания основана в 1987 году и специализируется на системах бесперебойного электроснабжения. Имеется производство на Тайване, в Китае, в США и Германии. Оборот компании превышает 130 миллионов USD. В России компания ведет свою деятельность с 1997 года, и имеет значительную долю на рынке источников бесперебойного питания.Описание

Тестируемый ИБП предназначен для защиты персональных компьютеров, бытовой аудио и видео техники, коммутационной техники, POS-терминалов, от основных неполадок с электропитанием: высоковольтных выбросов, электромагнитных и радиочастотных помех, понижения, повышения и полного исчезновения напряжения в электросети. Производитель позиционирует этот продукт для домашнего использования.

Производителем заявлены следующие характеристики изделия:

Выходное напряжение, частота при батарейном питании Защита от перегрузок
при работе от батареи Автоматическое отключение ИБП при перегрузке:
120% — за 10 секунд
130% — за 3 секунды

Защита от перегрузок
при работе от сети

Выходные разъемы

2 Euro батарейного питания
и 1 Euro сетевого фильтра, все выходные разъемы оборудованы защитой от детей

0-95% (без конденсата)
от 0 до + 40°C
до 3500 метров над уровнем моря, без уменьшения мощности

ИБП поставляется в небольшой картонной коробке, размером 44x14x19 см. Полиграфия на коробке выполнена качественно, изделие защищено от повреждений пенопластовыми вставками и упаковано в полиэтиленовый пакет. На коробке указана страна изготовитель — Китай. К сожалению, конструкция коробки не предусматривает ручек для удобства транспортировки.

Комплект поставки включает:

• инструкция по эксплуатации на русском языке;
• гарантийный талон на русском языке;*
• CD диск с программным обеспечением;**
• сетевой шнур;
• интерфейсный кабель для связи с ПК (USB A-B);
• телефонный кабель (RJ-11).

* — На изделие предоставляется полная гарантия 2 года, но не более 30 месяцев от даты производства. Фирма имеет 123 авторизированных сервисных центра в 74 городах России, из них 9 в Москве.

* — Прилагаемое для контроля и управления ИБП программное обеспечение имеет версии практически для всех операционных систем. Самые свежие обновления можно скачать со страницы поддержки.

Качество комплектации, в целом, хорошее. Есть все необходимое, и нет ничего лишнего.

Корпус у ИБП прямоугольный, со скругленными углами. В верхней его части расположена утопленная в корпус кнопка включения и три светодиодных индикатора. Три утопленные евророзетки оборудованы устройством, защищающим розетку от попадания в нее посторонних предметов.

Корпус ИБП полностью пластиковый и состоит из двух частей — верхней и нижней. Все части корпуса соединены посредством пазов и шурупов. Качество литья хорошее, облоя не обнаружено. Вентиляционные отверстия расположены сбоку. Ножки у ИБП пластиковые, рудиментарные. ИБП допускает настенный монтаж в любом положении, для этого на днище корпуса есть прорези под шурупы.

Разъемы для защиты коммуникационного оборудования и порт USB для связи с ПК расположены сбоку. Автоматический предохранитель и не отключаемый шнур питания находятся на торце устройства.Внутреннее устройство

В ИБП установлен аккумулятор WP1213W производства фирмы KUNG LONG batteries industrial, ёмкостью 13 Вт/ч, рабочим напряжением 12 В. В каталоге фирмы не удалось обнаружить такой батареи. У пользователей, которые столкнутся с необходимостью замены батареи, могут возникнуть трудности с подбором аналога.

Замена батареи возможна силами пользователя, мало того — процедура детально описана в инструкции. Отворачиваем болт, фиксирующий крышку батарейного отсека в нижней части ИБП, сдвигаем крышку — и батарею можно менять.

Внутренний дизайн компактен. Расположенные в верхней части блок розеток и блок индикации соединены с платой электроники неразъемным соединением.

Вся электроника, включая инвертор, расположена на одной основной двухсторонней печатной плате, находящейся в нижней части корпуса ИБП. Сама плата и монтаж элементов на ней, на первый взгляд, выполнены качественно, подписано соответствие элементов принципиальной схеме.

Инвертор выполнен на двух транзисторах, по высокочастотной схеме. Он формирует аппроксимированную синусоиду. Силовые транзисторы расположены на двух небольших массивных радиаторах, практически без оребрения.

Защита от перегрузки сети реализована при помощи RC-фильтра и варистора.

Защита по линии RJ-45 реализована для всех контактов разъема. Отметим, что по техническим спецификациям, защита обеспечивается для 10 мегабитного стандарта, более скоростные 100 и тем более гигабитные линки могут не работать через эту защиту.Тестирование

Тестируемый ИБП относится к классу OffLine, и не оснащен системой AVR — автоматическим регулятором напряжения, иногда называемого стабилизатором, который позволяет корректировать (повышать или понижать) входное напряжение, получаемое из электросети, не переходя на питание от батарей.

График иллюстрирует переход на батарейное питание.

По результатам тестирования, установленную по умолчанию схему переключения на батарейное питание можно считать неудовлетворительной. ИБП обеспечивает выходное напряжение в пределах 165-275 В, это значительно выходит за требования стандарта.

При уменьшении напряжения в питающей сети менее 165 В и переходе на аккумуляторное питание ИБП оповещает пользователя об этом посредством звукового сигнала. Звуковой сигнал — достаточно высокой тональности и небольшой громкости, периодичностью раз в 2 секунды. При снижении заряда батарей до критического уровня периодичность сигнала составляет 0,4 секунды.

Время переключения на батарею составило 4мс. На приведенной осциллограмме можно увидеть процесс перехода с сетевого питания на питание от батареи.

По фронту формируемого сигнала мы обнаружили высокочастотные пики напряжения — далее приводится их более детальный вид.

Данный «артефакт» может приводить к сбоям в работе некоторых устройств, в частности, радиочасы с синхронизацией от сети начинали спешить.

ИБП был протестирован на время работы от батарей при различном уровне нагрузки. Синтетические тесты проводились на нагрузке из резисторов. Выходное напряжение измерялось цифровым мультиметром UT60E.

Как видим, во всем диапазоне нагрузок ИБП выдает стабильное выходное напряжение, полностью укладывающееся в ГОСТовские 5% на протяжении всего времени работы.

Рекомендуемая, по результатам тестов, мощность нагрузки ИБП находится в диапазоне до 250 Вт.

При работе без нагрузки инвертор потребляет от батареи 2,6 Вт, а его КПД при работе на нагрузку в 50 Вт составил 88%.

При работе на нагрузку менее 30 Вт устройство отключается через 4 минуты (GreenMode). Данную функцию, к сожалению, отключить нельзя.

Для практических испытаний мы использовали компьютер следующей конфигурации:

С этого момента тестирование на реальной нагрузке проводится по новой методике. Для тестирования ИБП марки Powercom было выбрано шесть тестовых заданий.

1. Максимальное энергопотребление. Монитор включен, яркость — на среднем уровне уровне. На данном этапе используются: ATITool 3D View максимальной нагрузки видеоподсистемы и необходимое количество запущенных экземпляров PRIME95, которое зависит от используемого центрального процессора. Данный тест позволяет получить практически максимальную нагрузку, как на ЦП, так и на видеоподсистему, за счет чего достигается максимально высокая для имеющийся конфигурации потребляемая мощность, превосходящая при этом энергопотребление в любом игровом приложении. И, что не менее важно, при тестировании ИБП – потребляемая мощность во времени практически не изменяется, чем достигается высокая точность и повторяемость результатов.
2. Минимальное энергопотребление (воспроизведение музыки) Монитор отключен. Данный этап представляет собой использование компьютера в роли аудиоплеера с минимальной дополнительной нагрузкой. Воспроизводится зацикленный тестовый аудиофайл в формате mp3 с битрейтом 192 кбит/с.
3. Расчетная задача. Монитор отключен. Данный этап характеризуется максимальной нагрузкой на центральный процессор, что актуально при аудио/видеокодировании, научных расчетах и других задачах, продолжительное время активно использующих ЦП при отсутствии пользователя непосредственно перед монитором. На данном этапе используются: необходимое количество запущенных экземпляров PRIME95, которое зависит от используемого центрального процессора.
4. Чтение (дискретное видео). Монитор включен, яркость — на среднем уровне. На данном этапе используется специализированная программа для чтения электронных книг (фактически, любых текстовых файлов), которая имеет поддержку автопрокрутки. Одновременно производится воспроизведение тестового аудиофайла.
5. Чтение (интегрированное видео) Монитор включен, яркость на среднем уровне. На данном этапе используется специализированная программа для чтения электронных книг (фактически, любых текстовых файлов), которая имеет поддержку автопрокрутки. Одновременно производится воспроизведение тестового аудиофайла.
6. Воспроизведение DVD Video. Монитор включен, яркость — на среднем уровне, воспроизводился фильм с DVD-Video диска, в полноэкранном режиме.

ИБП отработал все тесты без нареканий, но результатом применения батареи низкой емкости стало очень малое время работы нагруженного компьютера.

Параметры зарядки АКБ являются одним из важнейших факторов, влияющих на срок службы батареи, а, следовательно, и самого ИБП (несмотря на легкость замены батареи, эта операция для обычного пользователя — причина обращения в сервисный центр).

Работу схемы зарядки батареи мы проверили для двух состояний батареи. В одном случае батарея была разряжена на номинальной нагрузке (250 Вт) до выключения ИБП, в другом — батарея разряжалась до выключения ИБП на мощности в 50 Вт. Разряд батареи во втором случае был более глубоким.

По результатам тестирования, мы констатируем качественную работу схемы зарядки. Как и обещалось в инструкции, полностью разряженная батарея зарядилась до 90% за 6 часов. Заряд батареи, разряженной на номинальной нагрузке, занял всего два часа. Заряд производится стабильным током в диапазона от 300 до 350 mА.

Для проверки зависимости зарядного тока от напряжения в сети, мы провели замеры тока зарядки батареи разряженной примерно на 50%, при различном напряжении питающей сети.

Зарядный ток находится в диапазоне 290-420 ма при входном напряжении 170-280 В.

Для проверки возможности включения без напряжения питающей сети (холодного старта) ИБП был подключен на нагрузку 160 Вт (50%). ИБП включился, но процесс установления выходного напряжения занял около 60 полупериодов (0,5 с). Это может быть критично для электронного оборудования.

Для проверки интерфейса связи с PC, ИБП был подключен к порту USB тестового компьютера прилагаемым кабелем. Операционная система Windows XP Pro SP2 автоматически нашла и установила следующие устройства.

Протестированное изделие явным образом позиционируется на домашнее использование. В случае, если пользователь хочет приобрести «нечто лучше, чем просто сетевой фильтр«, Powercom WOW-500U будет оптимальной покупкой. Он вполне может защитить компьютер от кратковременного пропадания электричества.

Источник