Beschreiben Sie kurz die Batterietechnologie aktueller tragbarer elektronischer Geräte

Vorwort

Die heutige tragbare elektronische Backup-Batterietechnologie umfasst Leistungserkennungsalgorithmen, Batterieladealgorithmen und Batterieladetechnologie. Wie wir alle wissen, hat die chemische Reaktion der wiederaufladbaren Batterie vier Programme: Nickel-Cadmium, Nickel-Wasserstoff, Lithium-Ionen und Lithium-Polymer. Als tragbares elektronisches Gerät haben diese vier Batterieprogramme zwar ihre eigenen Eigenschaften, sie sind jedoch in Bezug auf Energiedichte und Sicherheit. Entwicklung und Praxis zeigen, dass die Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Polymer-Batterien für kleine, langlebige Geräte wie Laptops und festplattenbasiertes PMP ideal geworden sind. Für Ingenieure tragbarer elektronischer Geräte ist die richtige Auswahl und Anwendung der Batterietechnologie in tragbaren elektronischen Geräten von größter Bedeutung. In diesem Artikel wird dies erläutert und die Anwendungsbeispiele analysiert.

1. Batterieladealgorithmus zum Erhaltungsladen, Schnellladen und stabilen Laden

Abhängig vom Energiebedarf der endgültigen Anwendung kann ein Akkupack bis zu vier Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batteriezellen in verschiedenen Konfigurationen mit einem Hauptstromadapter enthalten: Direktadapter, USB-Schnittstelle oder Autoladegerät. Diese Akkus haben unabhängig von der Anzahl der Zellen, der Konfiguration der Zellen oder dem Typ des Netzteils die gleichen Ladeeigenschaften. Ihre Ladealgorithmen sind also dieselben. Die besten Ladealgorithmen für Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien können in drei Phasen unterteilt werden: Erhaltungsladen, Schnellladen und stabiles Laden.

Erhaltungsladung. Zum Laden tiefentladener Zellen. Wenn die Zellenspannung unter etwa 2,8 Volt liegt, wird sie mit einem konstanten Strom von 0,1 Grad Celsius aufgeladen.

Schnellladung. Wenn die Zellenspannung die Schwelle des Erhaltungsladens überschreitet, wird der Ladestrom zum schnellen Laden erhöht. Der Schnellladestrom sollte weniger als 1,0 Grad Celsius betragen.

Stabile Spannung. Während des Schnellladevorgangs beginnt die stationäre Spannungsphase, sobald die Zellenspannung 4,2 V erreicht. Zu diesem Zeitpunkt kann der Ladevorgang durch einen minimalen Ladestrom oder einen Timer oder eine Kombination aus beiden unterbrochen werden. Der Ladevorgang kann unterbrochen werden, wenn der Mindeststrom unter ca. 0,07 Grad Celsius liegt. Der Timer ist auf einen voreingestellten Timer angewiesen, um einen Interrupt auszulösen.

Fortschrittliche Ladegeräte verfügen normalerweise über zusätzliche Sicherheitsfunktionen. Wenn beispielsweise die Zelltemperatur ein bestimmtes Fenster überschreitet, typischerweise 0 ° C - 45 ° C, wird der Ladevorgang unterbrochen. Zusätzlich zu einigen sehr Low-End-Geräten sind die aktuellen Li-Ion / Li-Polymer-Batterieladelösungen integriert oder verfügen über externe Komponenten, die entsprechend den Ladeeigenschaften aufgeladen werden können, nicht nur zum besseren Laden. Es ist auch für die Sicherheit.

2. Ladeprogramm für Lithiumionen- / Polymerbatterien

Das Ladeschema für Lithium-Ionen / Polymer-Batterien unterscheidet sich für unterschiedliche Anzahlen von Zellen, Zellkonfigurationen und Leistungstypen. Derzeit gibt es drei Hauptladeoptionen: Linear-, Buck- (Buck) -Schalter und SEPIC- (Boost- und Buck-) Schalter.

2.1 lineares Schema

Wenn die Eingangsspannung des Ladegeräts nach vollständig geladenen Zellen plus ausreichender Kopffreiheit größer als die Leerlaufspannung ist, ist es am besten, ein lineares Schema zu verwenden, insbesondere wenn der 1,0-Grad-Celsius-Schnellladestrom nicht viel größer als eins ist. Zum Beispiel hat ein MP3-Player normalerweise nur einen Akku und die Kapazität reicht von 700 bis 1500 mah. Die Leerlaufspannung bei voller Ladung beträgt 4,2 V. Die Stromversorgung des MP3-Players erfolgt normalerweise über ein AC / DC-Adapter oder eine USB-Schnittstelle, und sein Ausgang beträgt reguläre 5 V; Derzeit ist das Ladegerät für lineare Lösungen die einfachste und effizienteste Lösung. 2 zeigt ein lineares Schema für ein Li-Ionen / Polymer-Batterieladeschema mit der gleichen Grundstruktur wie ein linearer Spannungsregler.

Anwendungsbeispiel für ein lineares Lösungsladegerät - Li + -Ladegerät mit zwei Eingängen und Smart Power Selector Das MAX8677A.MAX8677A ist ein lineares USB / AC-Adapter-Ladegerät mit zwei Eingängen und integriertem SmartPowerSelector für die Stromversorgung über ein wiederaufladbares tragbares Einzelzellen-Li + -Batteriegerät. Das Ladegerät integriert alle Leistungsschalter, die zum Laden und Schalten von Batterien und externen Lasten erforderlich sind, sodass kein externer MOSFET erforderlich ist. Der MAX8677A ist ideal für tragbare Geräte wie Smartphones, PDAs, tragbare Multimedia-Player, GPS-Navigationsgeräte, Digitalkameras und eine digitale Videokamera.

Der MAX8677A kann über einen separaten USB- und Netzteil-Stromeingang oder einen von zwei Eingängen betrieben werden. Bei Anschluss an eine externe Stromquelle kann das System mit dem Smart Power Selector von der Batterie getrennt oder an eine Tiefentladungsbatterie angeschlossen werden. Der Smart Power Selector schaltet den Akku automatisch auf Systemlast um und lädt den Akku über den nicht verwendeten Eingangsstrombereich des Systems auf, wobei die begrenzte USB- und Adapter-Eingangsleistung genutzt wird. Alle erforderlichen Stromerfassungsschaltungen, einschließlich integrierter Leistungsschalter, sind auf dem Chip integriert. Die Strombegrenzung des DC-Eingangs ist auf bis zu 2 einstellbar, während die DC- und USB-Eingänge 100-mA-, 500-mA- und USB-Suspend-Modi unterstützen. Der Ladestrom kann auf bis zu 1,5 eingestellt werden, um einen weiten Bereich der Batteriekapazität zu unterstützen. Weitere Merkmale des MAX8677A sind Wärmeregulierung, Überspannungsschutz, Ladestatus und Fehlerausgabe, Überwachung der Stromversorgung, Überwachung des Batteriethermistors und Ladezeitgeber. Der MAX8677A ist in einem platzsparenden, thermisch verbesserten 4 mm x 4 mm 24-poligen TQFN-Gehäuse erhältlich, das über den erweiterten Temperaturbereich (-40 bis + 85 ° C) spezifiziert ist.

2.2 US-Dollar (Buck) -Schaltprogramm

Wenn der bei 1,0 Grad Celsius geladene Strom größer als 1 ist oder die Eingangsspannung viel höher als die vollständig offene Stromkreisspannung der Zelle ist, ist die Buck- oder Buck-Lösung die bessere Wahl. Beispielsweise wird in einem festplattenbasierten PMP normalerweise eine Einzelzellen-Lithium-Ionen-Batterie mit einer Leerlaufspannung von 4,2 V und einer Kapazität im Bereich von 1200 bis 2400 mah verwendet. Jetzt wird PMP normalerweise mit einem Car Kit geladen und seine Ausgangsspannung liegt zwischen 9 und 16 V. Eine relativ hohe Spannungsdifferenz (mindestens 4,8 V) zwischen der Eingangsspannung und der Batteriespannung verringert die Effizienz des linearen Schemas. Diese Ineffizienz kann in Verbindung mit einem 1 c-Schnellladestrom von mehr als 1,2 schwerwiegende thermische Probleme verursachen. Um diese Situation zu vermeiden, wird das Barker-Schema verwendet. Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm des Barker-Ladeschemas für Lithiumionen / Polymer-Batterien. Die Grundstruktur ist genau die gleiche wie beim Buck (Buck) -Schaltspannungsregler.

2.3 Sepic (Boost und Buck) -Schaltschema

Bei einigen Geräten, die drei oder sogar vier Lithium-Ionen / Polymer-Zellen in Reihe verwenden, ist die Eingangsspannung des Ladegeräts nicht immer höher als die Batteriespannung. Beispielsweise verwendet ein Laptop einen 3-Zellen-lithium-ionen-akku und ist vollständig mit einer Leerlaufspannung aufgeladen. Es ist 12,6 v (4,2 vx3) mit einer Kapazität von 1800 mah bis 3600 mah. Die Eingangsleistung ist entweder ein AC / DC-Adapter mit einer Ausgangsspannung von 16 V oder ein Car Kit mit einer Ausgangsspannung zwischen 9 und 16 V. Offensichtlich können weder das lineare noch das Buck-Schema diesen Akku aufladen. Dies erfordert das SEPIC-Schema, das funktioniert, wenn die Ausgangsspannung höher als die Batteriespannung ist und auch wenn die Ausgangsspannung niedriger als die Batterie ist.

3. Algorithmus zur Erkennung der Elektrizität

Viele tragbare Produkte verwenden Spannungsmessungen, um die verbleibende Batterieleistung abzuschätzen. Die Beziehung zwischen Batteriespannung und Restleistung variiert jedoch mit Leistung, Temperatur und Batteriealterung, was diese Methode zu einem Fehler macht. Die Rate kann bis zu 50% betragen. Die Marktnachfrage nach langlebigeren Produkten steigt weiter an, daher benötigen Systementwickler genauere Lösungen. Die Verwendung einer Kraftstoffanzeige zum Messen der Batterieladung oder des Stromverbrauchs liefert eine genauere Schätzung der Batterieleistung über einen weiten Bereich von Anwendungsleistungsstufen.

3.1 Eines der Anwendungsbeispiele für den Leistungserkennungsalgorithmus ist das voll funktionsfähige Design eines tragbaren Anwendungsbatteries für Einzel- und Doppelbatterien

Das Prinzip der Stromerkennung. Eine bessere Kraftstoffanzeige muss mindestens Batteriespannung, Temperatur und Strom des Batteriepacks sowie Messmethode aufweisen. eine Mikroverarbeitung 9; und eine Reihe bewährter Leistungserkennungsalgorithmen. Der bq2650x und der bq27x00 sind voll funktionsfähige Kraftstoffanzeigen mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zur Messung von Spannung und Temperatur und einem Analog-Digital-Wandler zur Messung der Strom- und Ladungserfassung. Diese Kraftstoffanzeigen verfügen auch über einen Mikroprozessor, der für die Ausführung der Kraftstofferkennungsalgorithmen von Texas Instruments verantwortlich ist. Diese Algorithmen kompensieren die Selbstentladung, Alterung, Temperatur und Entladungsraten von Lithium-Ionen-Batterien. Der im Chip enthaltene Mikroprozessor spart diese Rechenlast für den Prozessor des Hostsystems. Die Kraftstoffanzeige kann Informationen wie den verbleibenden Batteriestatus liefern. Produkte der Serie Bq 27x00 bieten auch die verbleibende Laufzeit (RunTimetoEmpty). Der Host kann die Kraftstoffanzeige jederzeit abfragen und den Benutzer dann über die Leitanzeige oder die Bildschirmanzeige über die Batterieinformationen informieren. Die Tankanzeige ist einfach zu bedienen und der Systemprozessor muss nur mit einem 12-Cor-HDQ-Kommunikationstreiber konfiguriert werden.

Beschreibung der Batteriepackschaltung. Fig. 4 (a) zeigt eine typische Batteriepack-Anwendungsschaltung mit einem Identifikationsfunktions-IC. Je nach verwendetem Leistungsmesser-IC muss der Akku mindestens drei bis vier externe Anschlüsse haben. Die VCC- und Bat-Pins sind mit der Batteriespannung verbunden, um C mit Strom zu versorgen und die Batteriespannung zu messen. Ein niederohmiger Erfassungswiderstand ist mit der Batteriemasse verbunden, damit die hochohmigen SRP- und SRN-Eingänge der Kraftstoffanzeige die Spannung über dem Erfassungswiderstand überwachen können. Der durch den Messwiderstand fließende Strom kann verwendet werden, um die Ladungsmenge zu bestimmen, die der Akku lädt oder entlädt. Wenn der Konstrukteur den Widerstandswert erkennt, muss berücksichtigt werden, dass die Spannung am Widerstand 100 mV nicht überschreiten darf. Ein zu niedriger Widerstandswert kann einen Fehler verursachen, wenn der Strom klein ist. Das Platinenlayout muss sicherstellen, dass die Verbindungen von SRP und SRN zum Messwiderstand so nah wie möglich an den Messwiderstandsanschlüssen liegen. Mit anderen Worten, sie sollten in Kelvin verdrahtet werden.

Für den HDQ-Pin ist ein externer Pull-up-Widerstand erforderlich, der sich auf dem Host oder der Hauptanwendung befinden sollte, damit das Messgerät den Ruhezustand aktivieren kann, wenn der Akku vom tragbaren Gerät getrennt wird. Es wird empfohlen, 10 kΩ für den Pull-up-Widerstandswert zu verwenden.

Identifizierung des Akkus. Das Problem kostengünstiger gefälschter Batterien wird immer ernster. Diese Batterien enthalten möglicherweise nicht die vom OEM geforderte Sicherheitsschutzschaltung. Daher kann der Originalbatteriesatz die in 4 (a) gezeigte Identifikationsschaltung enthalten. Wenn die Batterie authentifiziert werden soll, sendet der Host einen Abfragewert (Abfrage) an den Batteriepack mit dem IC (bq26150, der als zyklische Redundanzprüfung (CRC) fungiert. Die im Batteriepack enthaltene CRC basiert darauf Abfragewert und innerhalb des IC. Das CRC-Polynom wird erstellt, um den CRC-Wert zu berechnen. Das CRC basiert auf dem hostbasierten Abfragebefehl und dem geheim definierten CRC-Polynom im IC. Der Host vergleicht auch die CRC-Wertberechnung gut mit dem Batteriepack, um festzustellen, ob die Authentifizierung erfolgreich ist. Durch Identifizierung gibt der bq26150 eine Anweisung aus, um sicherzustellen, dass die Datenleitungskommunikation zwischen dem Host und der Tankanzeige normal ist. Wenn die Batterieverbindung unterbrochen oder erneut verbunden wird, wird der gesamte Authentifizierungsprozess ausgeführt wiederholt werden.

3.2 Ein Beispiel für einen neuartigen integrierten Schaltkreis, der auf eine Vielzahl von allgemeinen Stromzählern angewendet werden kann

Viele Hersteller bieten heute eine breite Palette von Kraftstoffanzeige-ICs an, aus denen Benutzer die richtigen Funktionsgeräte auswählen können, um das Preis-Leistungs-Verhältnis ihrer Produkte zu optimieren. Diese geteilte Architektur verwendet eine Tankanzeige zum Speichern gemessener Batterieparameter und ermöglicht es dem Benutzer, den Algorithmus der Kraftstoffanzeige innerhalb des Hosts anzupassen. Dadurch entfallen die Kosten für den im Akkupack eingebetteten Prozessor. Dies ist eine typische Analyse des DS2762-Chips am Beispiel von Dallas Semiconductor. Ein neuer Typ eines separaten integrierten Schaltkreises für die Kraftstoffanzeige, dessen Struktur in Abbildung 5 (a) dargestellt ist.

DS2762-Anwendungsfunktionen

Der DS2762 ist eine einzellige Lithiumbatterie-Kraftstoffanzeige und Schutzschaltung, die in ein winziges Flip-Chip-Gehäuse mit einer Größe von 2,46 mm x 2,74 mm integriert ist. Dank der integrierten hochpräzisen Widerstände zur Leistungserkennung ist dieses Gerät sehr platzsparend. Die geringe Größe und die beispiellose hohe Integration sind ideal für Handybatterien und andere ähnliche Handheld-Produkte wie PDAs. Die integrierte Schutzschaltung überwacht die Batterie kontinuierlich auf Überspannung, Unterspannung und Überstromfehler (während des Ladens oder Entladens). Im Gegensatz zum unabhängigen Schutz-IC ermöglicht der DS2762 dem Host-Prozessor, den Leitungszustand des FET zu überwachen / zu steuern, so dass die Systemleistungssteuerung über die DS2762-Schutzschaltung erreicht werden kann. Der DS2762 kann auch einen tief entladenen Akku laden, wenn die Spannung weniger als 3 V beträgt. Es wird ein Ladungspfad zur Stromwiederherstellung bereitgestellt.

Der DS2762 überwacht Batteriestrom, -spannung und -temperatur genau mit Dynamikbereich und Auflösung, um die Teststandards aller gängigen Mobilkommunikationsprodukte zu erfüllen. Der gemessene Strom integriert die intern erzeugte Zeitbasis, um eine Strommessung zu erreichen. Die Genauigkeit der Kraftstoffanzeige wird durch eine kontinuierliche automatische Offsetkorrektur in Echtzeit verbessert. Der eingebaute Messwiderstand eliminiert Widerstandsänderungen aufgrund des Herstellungsprozesses und der Temperatur und verbessert die Genauigkeit der Kraftstoffanzeige weiter. Wichtige Daten werden in 32 Bytes gespeichert, sperrbar eepm; 16 Byte SRAM werden zum Speichern dynamischer Daten verwendet. Die gesamte Kommunikation mit dem DS2762 erfolgt über eine einzeilige Kommunikationsschnittstelle mit mehreren Knoten, wodurch die Verbindung zwischen dem Akku und dem Host minimiert wird. Die Hauptmerkmale sind ein einzelliger Lithiumbatterieschutz; hochpräzise Strommessung (elektrische Energiemessung), Spannungs- und Temperaturmessung; optionaler integrierter 25-mΩ-Messwiderstand, jeder DS2762 wird einzeln feinabgestimmt; 0 V Batterie nimmt den Ladevorgang wieder auf; 32 Bytes Lockable Eepm, 16-Byte-SRAM, 64-Bit-Chip;

Einzeilige digitale Kommunikationsschnittstelle mit mehreren Knoten; Unterstützung der Energieverwaltung für mehrere Batteriegruppen und Realisierung der Systemleistungssteuerung durch Schutz von Feldeffekttransistoren; im Schlafmodus beträgt der Versorgungsstrom nur 2 (maximal) und der Betriebsstrom 90 (maximal); 2,46 mm x 2,74 mm Flip-Chip-Gehäuse oder 16-poliges SSOP-Gehäuse, sowohl mit als auch ohne Messwiderstände; Komplex mit einem Bewertungsausschuss.

4. Fazit

Die Anwendung der tragbaren elektronischen Batterietechnologie ist die Grundlage für die Auswahl von Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Polymer-Batterien sowie deren Ladegeräten. Wie man das richtige auswählt, muss auch von den spezifischen Anforderungen der tragbaren elektronischen Geräte abhängen.

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