Технология зарядки аккумуляторов MaxCharge: ставка на интеллект

Критерии качества схем батарейного питания мобильных устройств до смеш­ного просты: минимальное время зарядки, продолжительность ра­боты устройства от батарей и срок их службы. Коэффициент полезного действия электрических цепей, входящих в состав источников и потре­бителей энергии, напрямую влияет на уровень нагрева гаджета, потому примерная оценка непроизводительных потерь энергии под силу даже рядовому пользователю. А вот что для пользователя тайна (и одно­вре­мен­но сюрприз), так это технология быстрой зарядки аккумуляторов. Девиз «Даешь больше тока!» здесь не работает. Атака на проблему в лоб ничего кроме потерь и разочарования не принесет. Примеров тому несть числа.

Трудности роста

Подсистемы электропитания мобильных устройств переживают очередной переходный период. Появление ново­й спецификации USB Power Delivery радикально увеличивает как мощность цепей питания, делая возможным пе­ре­да­чу 100W (20 вольт, 5 ампер), так и их интеллект, добавляя в набор интерфейсных сигналов отдельную шину для обмена сообщениями, способную функционировать независимо от каналов данных USB. Речь, конечно, о Type-C Configuration Channel, детально рассмотренном в публикациях «Компостера».

Вместе с тем, выпускается и уже присутствует на рынке огромное количество устройств с традиционным разъемом Type-A. История вычислительной техники знает много примеров, когда новшества, игнорирующие существующую инфраструктуру, были обречены на провал. Совместимость потребовала нестандартных шагов.

Решение первое: унифицировано и сложно

Разработчиками Power Delivery Specification была предложена технология, делающая возможной передачу со­об­ще­ний, управляющих режимом питания в системах USB Type-A, не оборудованных линиями Configuration Channel.

Рис 1. Принцип обмена конфигурационной информацией
методом модулирования напряжения питания

Как показано выше, двунаправленный канал связи между RX-приемниками и TX-передатчиками создается ме­то­дом модуляции напряжения питания +5V. Амплитудно-частотные характеристики фильтров и параметры передачи сигналов подобраны таким образом, чтобы обеспечить устойчивую передачу сигналов при минимизации пуль­са­ций в цепи питания. В данном случае, одни и те же линии являются цепью питания и трактом передачи сигналов. Дополнительный фактор надежности — информационные пакеты защищены циклическим контрольным кодом (CRC), что весьма уместно, поскольку следствием ошибки может стать подача источником в нагрузку повышенного напряжения.

Увы, решение не нашло поддержки производителей аппаратного обеспечения и операционных систем, четко оп­ре­де­лив­ших свои приоритеты на разъеме Type-C. Показательно, что диаграмма, приведенная на Рис 1, в до­ку­мен­те USB Power Delivery Specification Revision 3.0, V1.0a изъята.

Решение второе: маркетинг и компромиссы

Адаптация «старых» устройств к «новым» требованиям — компромисс по определению. Возможно, в этом причина того, что интеллектуальное, а значит дорогостоящее решение, описанное в предыдущем разделе не получило ши­ро­кой поддержки.

В силу диалектических причин, принцип обмена информацией, основанный на передаче аналоговых сигналов по линиям данных USB2 Data+, Data–, считавшийся интеллектуальным и современным на момент выхода Battery Charging Specification 1.2, сегодня мы рассматриваем как компромисс по отношению к Type-C Configuration Channel.

Рис 2. Принцип обмена конфигурационной информацией
методом передачи аналоговых величин по линиям Data+, Data–

В отличие от нормативных актов Power Delivery Specification, уровни напряжений, алгоритмы бесконфликтного мультиплексирования аналоговых сигналов и цифровых данных, передаваемых по тем же линиям в рамках про­то­кола USB2.0, а также некоторые другие аспекты подчинены воле производителя конкретного USB-устройства — Vendor-Specific реализации.

Поэтому, пример на Рис 2. можно рассматривать лишь как один из вариантов реализации, используемый ком­па­ни­ей Qualcomm в рамках инициатив Quick Charge 2.0 а также Quick Charge 3.0, добавляющей возможность плавного управления напряжением с целью прецизионной оптимизации процесса заряда в соответствии с электро­хи­ми­че­скими свойствами батареи. Это режим Continuous Mode с шагом 0.2 вольта.

Согласно выше приведенной таблице устройство-нагрузка передает аналоговые напряжения по линиям USB2 Data+, Data–, управляя режимом устройства– источника, в частности его выходным напряжением. Прин­ци­пи­аль­ная возможность динамического изменения ролей источника и нагрузки, а также защищенность такого протокола от аналоговых помех, вызывает сомнения.

Заметим, что наличие напряжения 20 вольт в разъеме USB Type-A, создает потенциальную угрозу серьезного по­вреждения устройства при ошибочной подаче повышенного напряжения от источника в нагрузку (например, 20 вольт в 5-вольтовую цепь). Управляющие аналоговые сигналы, как известно, подвержены помехам. В отличие от ранее рассмотренного варианта, про CRC здесь говорить не приходится.

Потребитель в сложившемся положении вынужден «предпочитать безопасную зарядку», применяя источники пи­тания одного вольтажа, точнее того же вендора, что и заряжаемый гаджет, а инициативы унификации, пе­ри­о­ди­че­ски переходя из сферы технологической в сферу политическую, так и не стали реальностью.

Решение третье: акцент на безопасность

Итак, нужна защита от ошибок при взаимодействии источника напряжения и нагрузки. Для цифровых данных эту функцию выполняет код CRC, основанный на информационной избыточности или переопределенности. Значит, нужно реализовать нечто подобное для аналоговых сигналов.

Рис 3. Протокол MaxCharge Handshake, как расширение Battery Charging Specification,
дополняет набор аналоговых величин, передаваемых по линиям Data+, Data–

Метод детектирования функциональности MaxCharge Handshake расширяет протокол, ранее определенный до­ку­мен­том Battery Charging Specification (BC1.2), разрешая заряжаемому устройству запрашивать от заряжающего устройства выдачу напряжений, превышающих классические 5 вольт, в частности 9 и 12 вольт при токе до 1.5 А. Очевидно, именно этот аспект взаимодействия источника напряжения и нагрузки должен быть максимально за­щищен, поскольку подача повышенного напряжения с высокой вероятностью выведет из строя питаемое уст­рой­ство.

Рассмотрим принцип аналогового квитирования, применяемый для реализации MaxCharge Handshake. Согласно Рис 3. для включения напряжения +12 вольт, устройство-потребитель энергии должно передать по линии D+ ток, равный около 1.6 миллиампер, а на линию D- подключить напряжение около 3.45 вольт. Для включения на­пря­же­ния +9 вольт, устройство-потребитель энергии должно передать по линии D- ток, равный около 1.6 миллиампер, а на линию D+ подключить напряжение около 3.45 вольт.

Наличие двух параметров, причем представленных различными физическими величинами: напряжением и током, создает контролируемую переопределенность, снижая вероятность ложных срабатываний, а следовательно и по­вреждения нагрузки повышенным напряжением.

Итак, MaxCharge как стандарт предполагает расширение классического 5-вольтового режима питания уни­вер­саль­ной последовательной шины возможностями передачи 9 и 12 вольт при токе 1.5 ампера под управлением вы­ше описанного механизма квитирования. Реализация этой технологии от Texas Instruments обеспечивает ком­пакт­ность и энергоэффективность за счет оптимизации коммутационных характеристик импульсных ре­гу­ля­то­ров.

Power Management архитектура от Texas Instruments

Очевидно, аккумуляторная батарея, это в первую очередь электрохимическая система, многие технологии ее усо­вер­шен­ствования связаны с составом применяемого электролита. Вместе с тем, сегодня даже USB-кабели снаб­жа­ют­ся интеллектом, поэтому менеджмент батарей невозможно представить без микропроцессорного управления. Решения от компании Texas Instruments, в частности микросхема BQ25895M, акцентируют внимание на аспектах на­дежности и предотвращения аварий в цепях питания.

Рис 4. Блок схема концепции MaxCharge с использованием коммутации линий Data+ и Data– интерфейса USB 2.0

Как правило, даже простейшие импульсные регуляторы напряжения снабжены цепями аварийной защиты, ди­на­ми­че­ски анализирующими напряжение и ток. Преимущество такого решения в его быстродействии, обуслов­лен­ном жестко реализованной логикой. Недостаток — подобный контроль хотя и способен мгновенно от­ре­а­ги­ро­вать на аварийные режимы работы цепей питания, но не обеспечивает интегральную оценку функциональности за­ряд­ной системы и аккумуляторной батареи.

Эта задача под силу системам интеллектуального управления на основе микропроцессоров, оценивающих не только мгновенные значения напряжений, токов, температур, но и способных собрать, сохранить и обработать статистику функционирования устройства в течение заданного времени. Вместе с тем, сложная программная обработка параметров не подходит для реализации быстрого аварийного отключения, в силу замедленной ре­ак­ции.

Совместив оба вида функциональности, разработчик получает преимущества двух подходов в сочетании с крат­ным увеличением степени защищенности устройства.

Микросхема BQ25895M

Контроллер BQ25895M построен на основе широтно-импульсного регулятора (PWM) с частотой до 1.5 MHz. Не­обыч­но высокая частота преобразования предъявляет жесткие требования к качеству коммутационных эле­мен­тов, в то же время позволяет сделать устройство компактным, уменьшая номинальные значения индуктивности и емкости LC-элементов «обвязки». Диапазон входного напряжения от 3.9 до 14.0 вольт. Шаг для цифрового уп­рав­ле­ния потребляемым током составляет 50 миллиампер.

Рассматриваемый импульсный регулятор классифицируется как Buck Boost Converter, что означает возможность работы в режиме как понижающего так и повышающего преобразователя, в зависимости от конфигурации и то­пологии подключения.

Рис 5. Пример реализации контроллера батареи, обеспечивающего зарядный ток до 5 ампер

Микросхема оптимизирована для установки в заряжаемом мобильном устройстве. Вместе с тем, она под­дер­жи­ва­ет возможности двунаправленной передачи энергии. Контроллер использует протокол, позволяющий выбирать за­рядное напряжение и ток на основании передачи аналоговых величин по линиям данных USB2. Поддержка со­вре­мен­ных методов коммуникации на основе USB Type-C Configuration Channel, возможна при добавлении внеш­них узлов.

Рис 6. Расположение выводов корпуса микросхемы BQ25895M

Множество контактов микросхемы, включает силовые цепи (VBUS, GND), сигналы универсальной последова­тель­ной шины (D+, D-), сигналы Serial Clock, Serial Data, Interrupt для I²C-коммуникации с управляющим микро­про­цес­со­ром (SCL, SDA, INT), цепь для подключения батареи (BAT), регулируемую цепь питания (SYS), а также ряд до­пол­ни­тель­ных сигналов, задающих режимы заряда и потребления энергии.

Рис 7. Один из программно-доступных регистров, адресуемых на шине System Management Bus

Примером совмещения аппаратно реализованной логики и программного управления является возможность циф­ро­во­го задания аналоговых параметров микропроцессором. Один из 21 регистров (REG00-REG14h), адресуемых на шине System Management Bus, REG00, описание которого приводится на Рис 7, содержит битовое поле IINLIM (IInputLimit), позволяющее программировать входные цепи ограничения тока с разрешающей способностью 50 миллиампер. Аналогичная функциональность предусмотрена для всех электрических параметров, температур и таймингов.

Факторы аппаратной защиты

Регулятор напряжения, входящий в состав микросхемы BQ25895M, снабжен стандартным набором аппаратных за­щит. Под контролем находятся рабочая температура, максимальный ток нагрузки (overcurrent), превышение (over­volt­age) и понижение (undervoltage) входного напряжения. Заметим, что работа импульсного преобразователя при пониженном входном напряжении также разрушительна, как и при повышенном, поскольку может привести к сбо­ям в работе ШИМ, а также перегреву ключевых транзисторов вследствие деградации коммутационных ха­рак­те­рис­тик при недопустимом уменьшении напряжения отпирающих импульсов на затворах MOSFET.

Интеллект и масштабируемость

Микросхема BQ25895M предусматривает функционирование в составе микропроцессорной системы. В качестве коммуникационного канала, объединяющего узлы контроллера электропитания используется двухпроводная по­сле­довательная шина System Management Bus или I²C.

Расширяемая архитектура контроллера электропитания сравнима с небольшой вычислительной платформой и предполагает подключение множества схем-компаньонов, рекомендованный набор которых включает до­пол­ни­тель­ные узлы мониторинга, контроллер USB Type-C Configuration Channel, контроллер клавиатуры и другие ми­к­ро­схемы.

Набор программно-доступных регистров позволяет управляющему процессору прочитать основные опе­ра­ци­он­ные параметры устройства (напряжения, токи, температуру), управлять режимами заряда и потребления энергии батареи, устанавливать уровни срабатывания защит. Процесс заряда батареи разделяется на интервалы времени, продолжительность каждого из которых определяется программируемыми таймерами, включая аварийный таймер WatchDog.

Вместо послесловия

После того, как в ряду напряжений, передаваемых посредством разъема универсальной последовательной шины, появились значения, кратно превышающие «классические» 5 вольт, важность схем аварийной защиты критически возросла. В наихудшем случае, подача 20 вольт в 5-вольтовую цепь, по сути означает повреждение устройства с потерей пользовательской информации и сомнительной перспективой ремонта.

С учетом сказанного, «бескомпромиссная» позиция Texas Instruments выгодно отличает рассмотренное схемное ре­шение на фоне тенденций экстремальной экономии.

«Ложкой дегтя» в контексте надежности будем считать интеграцию в микросхему силовых транзисторов, хотя ар­гу­менты в пользу такого шага — это стабильность аналоговых характеристик зарядных цепей и компактность решения.