تطوير بنك الطاقة للكمبيوتر المحمول. من التخطيط إلى المنتج النهائي. الجزء الأول

كنت أرغب في صنع بطارية كمبيوتر محمول خارجية لنفسي لفترة طويلة ، قبل 3-4 سنوات للعمل في الحديقة. على الرغم من أنني لم أحقق حلم رسم الرسوم البيانية وألواح التتبع في Gorky Park أو Bitsevsky Forest (في الوقت الحالي) ، فقد صنعت بطارية خارجية (دعنا نطلق عليها حديثًا - PowerBank). حول كيفية انتقال هذا الجهاز من نموذج لوحة توصيل إلى منتج نهائي ولماذا فعلت ما هو موجود بالفعل في السوق تحت قطة.



في البداية ، كنت أرغب في كتابة مقالة قصيرة حول تطوير PowerBank ، ولكن عندما بدأت ، أدركت أن جزءًا واحدًا لا غنى عنه. لذلك ، قسمتها إلى 4 أجزاء والآن أوجه انتباهكم إلى أولها: التخطيط (الدوائر).

من الواضح أن تطوير أي جهاز إلكتروني يبدأ بمواصفات فنية (TOR) ، لذلك أوضحت لنفسي عددًا من المعلمات التي يجب أن يوفرها PowerBank:

• 19V جهد ​​الدخل (لإمكانية الشحن من ذاكرة الكمبيوتر المحمول القياسية)
• 19V انتاج التيار الكهربائي (كما هو الحال مع الذاكرة القياسية)
• أقصى خرج تيار 3.5A (كما هو الحال مع الذاكرة القياسية)
• قدرة الخلية على الأقل 60 وات * ساعة (+1 بطارية داخلية)

بالإضافة إلى المتطلبات الأساسية ، أضفت المزيد:

• كفاءة المحول والذاكرة لا تقل عن 94 ٪ - الاستغناء عن المشعات.
• 300 — .
• USB PowerBank , , , , ..
• (Windows) PowerBank.
• , 5 USB .
• PowerBank.
• () PowerBank .

لبدء التطوير ، قمت بعمل رسم تخطيطي للجهاز المستقبلي:



تعليقًا على الرسم التخطيطي ، يمكنني القول أنه يمكنني أخذ المدير الإداري من USB ، لكنني كنت خائفة من صعوبات تطوير برنامج USB (أدركت لاحقًا أنه كان هباءً) لذا قمت بتثبيت محول USART - USB.

نظرًا لأنه تم تطوير الجهاز في الأصل لنفسه ، فقد تقرر إجراء التصميم بشكل أساسي من الأجزاء التي في حوزتي والتي عملت معها بالفعل (لتجنب العثرات). ومع ذلك ، لم يتم تنفيذ تحسين الأسعار في هذه المرحلة. لذلك ، اخترت المكونات التالية لـ PowerBank:

1. MK - STM32F051K4U6 مع استبدال مشهد بواسطة STM32F042K4U6.
2. USART <-> محول USB إلى CP2102. إنها ليست باهظة الثمن ، إنها تعمل بشكل جيد ، ولا تشغل سوى مساحة صغيرة ، وهي حل سريع.
3. — LTC3780IG. / , -, 400, , . LM5175 TI .
4. — LP2951ACD-3.3. , . 120 MCP1703T-3302E/CB 5.
5. 0805.
6. SMD.

بشكل منفصل ، نتطرق إلى اختيار الشاحن (الشاحن) ونظام التحكم والإدارة لبطاريات Li-ion (نظام إدارة بطارية Li-ion أو BMS). قبل بضع سنوات ، كنت أقوم بإصلاح أجهزة الكمبيوتر المحمولة وغالبًا ما رأيت BMS من شركة Texas Instruments في البطاريات. لذلك ، بادئ ذي بدء ، بدأت في البحث عن حل لجهازي من هذه الشركة المصنعة. من الجدير بالذكر أنه بشكل عام ، لا يوجد بديل ، حيث أن مكاتب قليلة فقط تنتج مثل هذه الدوائر الصغيرة (TI ، Maxim ، بعض LT ، ST مهجورة ، Intersil غريبة بالنسبة لنا ، ربما هناك المزيد ، لكنني لا أعرف). تجولت حول مساحات ti.com ، صادفت شريحة مثيرة للاهتمام للغاية BQ40Z60RHBRهذه هي الذاكرة و BMS في شريحة واحدة. لقد أحببتها حقًا لأنها حلت محل دائرتين دقيقتين. من الواضح أن هذا الحل أرخص مما لو كنت تقوم بشكل منفصل بالذاكرة و BMS وتستهلك مساحة أقل. خصائص الأداء الرئيسية لشريحة BQ40Z60:

• التهمة الحالية: حتى 4 أمبير
• عدد الخلايا: حتى 4x
• تردد التحويل: 1 ميجا هرتز
• جهد الدخل: حتى 25 فولت
• سعة الخلية: حتى 65 أمبير * ساعة
• وظيفة موازنة
• مؤشرات LED للتكوين للإشارة (الشحن ، السعة)

الرقاقة جديدة تمامًا (إصدار نهاية 2014) ، لذلك هناك القليل من المعلومات حولها وكنت قلقة قليلاً بسبب هذا ، مع العلم أن BI من TI يصعب جدًا برمجتها ، وهذا أيضًا مجموعة (ذاكرة + BMS). لقد كنت قلقة بعض الشيء حول عضادات محتملة في البلورة ، ولكن مع العلم أنني سأستخدم فقط الوظائف الأساسية ، كنت آمل ألا تكون هناك مشاكل. ومع ذلك ، بالنظر إلى المستقبل ، سأقول أنه حدث.
بالمناسبة ، لم يكن عبثا أنني لم أقل عمليا أي شيء عن الخلايا وتكوين البطارية ، فقط الآن حان الوقت للذهاب إلى الاختيار. هناك العديد من المعايير لاختيار التكوين الأمثل للبطارية:

1. . 4 ( 4s1p 4-serial 1-parallel) , 4 (1s4p) . .
   
   
   
   
2. , , ( ) . 4s1p.
3. . MP2307DN.
   
   

بالنظر إلى أن جهد الخرج لجهاز 19V ، مرة أخرى ، فإن التكوين 4s1p هو الأكثر فائدة.

الآن سنحسب بعض معلمات البطارية في حالة السعة 60 واط * ساعة ، التكوين 4s1p (الجهد 14.8 فولت):



الرقم الذي وجدته كان صغيرًا جدًا (حسنًا ، أو جاءت الشهية مع وجبة) وقررت التبديل إلى تكوين 4s2p على خلايا LP 5558115 3500mAh ، والتي كانت في المخزن. الإجمالي لدينا:

سعة البطارية: 7A * h (103W * h)
الجهد: 14.8V

هذه النتيجة تناسبني تمامًا - كانت أكثر من بطاريتين داخليتين للكمبيوتر المحمول (ASUS S451L ، 46W * h). بدأ تطوير التخطيط ...

في مرحلة التخطيط ، أردت أن أضع بعض الميزات الإضافية:

• توصيل المصابيح BQ40Z60. لديهم مؤشر وظيفي لمستوى الشحن مع عتبات قابلة للتعديل ، وكذلك عملية الشحن.
• تمت إضافة القدرة على ضبط التردد / وضع التشغيل (التيارات المتقطعة أو التي لا تنفصم) للمحول (باستخدام مرشح PWM MK + RC).

لقد قمت برسم دائرة ربط BQ40Z60 من لوحة تصحيح الأخطاء BQ40Z60EVM-578 ، وربط LTC3780IG من وثائقها ، وقمت بالباقي بنفسي. والنتيجة هي المخطط التالي .

ينقسم المخطط إلى 3 كتل:

• كتلة محول الجهد
• وحدة تخزين + BMS
• وحدة التحكم MK

التعليقات على المخطط: يتم تصنيع وحدة المحول والشاحن + BMS وفقًا للمخططات من الوثائق [1] ، [2] ، تم تصنيع وحدة التحكم من أجل تنفيذ وضع السكون للحد الأدنى من الاستهلاك الحالي في وضع الإيقاف. في المستقبل ، سأقول أنني فعلت ذلك في بضع لحظات ، ولكن بمساعدة سكين وحديد لحام تمكنت من جعل التخطيط يعمل كما ينبغي. اللوحة الناتجة موضحة أدناه:



تحتوي اللوحة على 4 طبقات من 18 ميكرومتر ، سمك إجمالي 1 مم ، مرتبة على seeedstudio.com.

حان الوقت الآن للتطرق إلى المؤشر الرئيسي لجودة الحديد - هذه هي كفاءة النظام بأكمله ككل. بتعبير أدق ، لدينا كفاءة 2: عند شحن البطارية وعند التفريغ. بالمعنى الدقيق للكلمة ، يجب تحسين كفاءة الشحن فقط لتقليل تسخين الجهاز (على افتراض أن لدينا الكثير من الطاقة للشحن) ، في حين أن فقدان الكفاءة أثناء التفريغ يقلل بالفعل من السعة الفعلية لبنك الطاقة. دعنا



نضع قائمة بالعناصر التي تؤثر بشكل مباشر على الكفاءة عند الشحن: ACFET - ترانزستور يمنع ظهور الجهد على موصل الطاقة الخارجي عند استخدام PowerBank من البطارية.
HighSideFET - الترانزستور العلوي لمحول التنحي للشاحن.
LowSideFET - الترانزستور السفلي لمحول باك الذاكرة.
BuckInductor - خنق محول باك الذاكرة.
CHGRCS - المقاوم لمستشعر تيار الذاكرة.
CHGFET - ترانزستور شحن البطارية.
DSGFET - تفريغ بطارية الترانزستور.
CellCS هو مقاوم مستشعر تيار البطارية.

تحتوي الترانزستورات ACFET و CHGFET و DSGFET أثناء التشغيل على خسائر ثابتة فقط لأنها مفتوحة باستمرار ومقاومات بمقاومة تساوي مقاومة القناة المفتوحة للترانزستور Rds_on ، لذلك يجب أن تحتوي هذه الترانزستورات على أدنى Rds_on. لقد اخترت علب الترانزستور pqfn3.3x3.3 على أنها مناسبة في الطاقة ولها حجم أصغر مقارنةً بـ pqfn5x6 المفضل لدي. مع أصغر مقاومة للقنوات من تلك التي يمكن الوصول إليها بسهولة كانت IRFHM830D (Rds_on = 5mOhm + Schottky diode).

تعمل الترانزستورات HighSideFET و LowSideFET في الوضع النبضي ، ويكون اختيارهما معقدًا وسيتم النظر فيه لاحقًا.

دعونا نحاول تقدير الخسائر عند جهد الدخل 19 فولت ، تيار الشحن للبطارية 4A ، التكوين 4s1p:

CellCS - التيار من خلاله يساوي تيار الشحن ، المقاومة هي 5mOhm ، الخسائر:



CHGRCS - التيار من خلاله يساوي تيار الشحن ، المقاومة 10mOhm ، الخسائر:



CHGFET و DSGFET - التيار من خلال منهم يساوي تيار الشحن ، المقاومة 5mOhm ، إجمالي الخسائر:



ACFET - التيار من خلاله يساوي تيار الإدخال (خذ أقصى تيار دخل ممكن 3.5A هو الحد الأقصى الذي يمكن أن تعطيه ذاكرة الكمبيوتر المحمول العادية) ، المقاومة 5mOhm ، الخسائر:



هنا يمكنك إضافة الخسائر على مقاومة أسلاك لوحة الخلايا ، و t أيضا مسارات المجلس نفسه. قمت بحسابها عن طريق قياس انخفاض الجهد عند تيار في دائرة البطارية 4A ، كان 36mV ، والذي يتوافق مع الطاقة:



BuckInductor - يمكن تقسيم الخسائر في الخانق إلى مكونين:

• (DCR — dc winding resistance). IHLP2525CZER2R2M01 DCR = 18, 4 :
  
  
  
  
• , Vishay , 20%, .

إجمالي خسائر الشحن الإجمالية على المكونات الثابتة هي: من



أجل الحصول على إجمالي خسائر الشحن ، من الضروري تقدير الخسائر في الترانزستورات HighSideFET و LowSideFET. ساعدني apnot AN-6005 من fairchildsemi في ذلك . باختصار ، في علامة التبويب ControllerDriver ، أضف وحدة التحكم الخاصة بنا إلى قاعدة البيانات وأدخل المعلمات المطلوبة في الجدول:



نأخذ البيانات من وثائق BQ40Z60 . بعد ذلك ، املأ الجدول بمعلمات ترانزستورات HighSideFET و LowSideFET في علامة التبويب MOSFETDatabase:



نأخذ أيضًا البيانات من وثائق الترانزستورات. لقد جربت العديد من الترانزستورات (انظر من القاعدة) لأن تردد التحويل في 1 ميجاهرتز مرتفع جدًا. من بين جميع الترانزستورات التي يمكنني الحصول عليها بسرعة أفضل ، تبين أن CSD17308 من TI هو الأفضل. ومع ذلك ، هذه ليست سوى الترانزستورات الموصى بها من الحوت BQ40Z60EVM . كانت أفضل الحسابات هي الترانزستورات eGaN من EPC (تحويل الطاقة الفعال) ، ولكن سعر 500r وشهر الانتظار وحالة معينة لعبت ضده. هناك تعليقان إضافيان من علامة التبويب MOSFETDatabase:

العمود الأيمن - Fig.Merit (شكل الجدارة - نقاط الجودة) هو نتاج Rds_on ورسوم مصراع Qgsw. بشكل عام ، كلما انخفض Fig.Merit ، كان الترانزستور أفضل ، ولكن عليك أن تفهم أن هذا مؤشر تجريبي إلى حد ما.

في علامة التبويب EfficiencySummary ، حدد وحدة التحكم والترانزستورات المستخدمة وعددها ، واضبط معلمات المصدر وانقر فوق الزر تشغيل.



بالنسبة لتيار الشحن 4A والجهد الكهربي للإدخال 19V ، ستكون الخسائر 1.17W. إجمالي الخسائر:



بعد تجميع التخطيط ، قمت بقياس دائرة الشحن بنفس المعلمات كما في الحسابات المقدرة: بلغت



كفاءة الدائرة 97.1٪ ، بينما كان فقدان الطاقة 1.908 وات عند 2.07 وات المحسوبة. حسنًا ، لقد اقترب من تقدير الخسارة. يظهر الرسم البياني لجهاز العمل في الشكل.



درجة الحرارة المحيطة 23 درجة ، لوحة بدون غلاف. 58 درجة في أعلى درجة حرارة (الحرارة الزائدة 58-23 = 35 درجة) مع إحباط 18 ميكرومتر وهذا مؤشر جيد للغاية. تم تسخين الكبح في نفس الوقت حتى 40 - على الأرجح يتم تسخينه بواسطة الترانزستورات. وحدة التحكم نفسها تحسنت حتى 52 درجة.

ننتقل الآن إلى تقدير كفاءة النظام أثناء التفريغ. من البداية سنقوم بتقييم الخسائر في المحول نفسه. للقيام بذلك ، نقوم بتجميع قائمة بالعناصر التي تؤثر بشكل مباشر على الكفاءة:



A هو الترانزستور العلوي للذراع السفلي لمحول LTC3780.
ب - ذراع تخفيض الترانزستور السفلي.
C هو الترانزستور السفلي للكتف المتزايد.
D هو الترانزستور العلوي للكتف المتزايد.
لام - خنق.
RS هو المقاوم لجهاز الاستشعار الحالي.

وبالطبع استهلاك وحدة تحكم LTC3780 نفسها. لن أسهب في الحديث عن تشغيل الدائرة المصغرة بالتفصيل ، لا يسعني إلا أن أقول إنها تمثل في الواقع محول تنازلي يقف بعد محول تصاعدي مع محث مشترك. اعتمادًا على جهد المدخلات والمخرجات ، إما جزء واحد ، أو الجزء الثاني ، أو كليهما (مع المساواة التقريبية في جهد المدخلات والمخرجات).

لحساب كفاءة المحول ، سنستخدم المعلمات التالية:



دعونا نتفق على أن الكمبيوتر المحمول يستهلك دائمًا إلى أقصى حد. في الواقع ، هذا قريب من الحقيقة ، لأنه عند توصيل مصدر خارجي ، بالإضافة إلى الطاقة ، فإنه يستهلك أيضًا الطاقة لشحن البطارية الداخلية ، وبشكل عام ، إذا كانت هناك طاقة خارجية ، فإنها لا ترفض الاستهلاك. تتوافق الفولتية مع الجهد المقنن للخلايا - 3.7 فولت ومنخفض - 3.3 فولت. من المهم ملاحظة أن المحول في الجهاز الحالي يعمل دائمًا في وضع التعزيز (لا يتجاوز جهد الدخل أبدًا جهد الخرج) ، ولكن هذا لا يعني أن الترانزستورات A و B لا تتغير. لشحن مكثف bootstrap ، قم بإيقاف تشغيل الترانزستور A لفترة وجيزة وقم بتشغيل B (سيحدث نفس الشيء عند التشغيل في وضع أقل للترانزستورات C و D). بالنسبة إلى LTC3780 ، يحدث هذا بتردد 40 كيلو هرتز.

لتقدير الخسائر ، نستخدم ملف xls لـ LTC3780 من حزمة LTpowerCAD2. مبدأ التشغيل مشابه للعمل السابق مع xls لـ BQ40Z60. نقوم بإدخال جميع قيم جهد الخرج والتيار ، جهد الإدخال ، تردد التحويل المطلوب ، معلمات الترانزستورات الرئيسية (قررت استخدام CSD17308 كما في الذاكرة). تم اختيار المحث IHLP5050EZER3R3M01 الذي يحتوي على DCR النموذجي = 7.7mOhm. بالنسبة إلى 3.5A ، فإن الحث صغير ، حدث ذلك لأنه عندما اشتريت مكونات ، كنت أعول على تيار إخراج 4.5A. بالنسبة للتكوين الحالي ، فإن IHLP5050EZER4R7M01 مع DCR النموذجي = 12.8mOhm سيكون خيارًا مثاليًا. مستشعر التيار - مقاوم مقاس 2512 بمقاومة 5 م أوم.

بعد إدخال جميع البيانات في حقلي توزيع الطاقة وفقدان الكفاءة المقدرة في MOSFET ، ستكون هناك مخططات دائرية لتوزيع خسارة المكونات وتقدير الكفاءة للجهد المحدد للإدخال / الإخراج وتيار الحمل.



تقدير الكفاءة متفائل للغاية - 98.79٪ عند جهد دخل 14.8 فولت و 98.51٪ عند 13.2 فولت (الأرقام باستثناء الخسائر في قلب المحث). العناصر الرئيسية التي تحدث فيها الخسائر هي مستشعر الحث / التيار (23٪) والترانزستور أ (25٪) ود (38٪ من إجمالي الخسائر).

حان الوقت لقياس الكفاءة الحقيقية.



تبلغ الكفاءة المقاسة 96.93٪ عند جهد دخل 14.8 فولت و 96.35٪ عند 13.2 فولت. دعونا نحلل البيانات التي تم الحصول عليها. للقيام بذلك ، نقوم بترجمة نسبة الكفاءة في فقدان الطاقة:



في هذه الحالة ، يكون التناقض أكثر أهمية مقارنة بتقدير الخسائر في محول الذاكرة ويبلغ 1.48 وات. ولكن إذا أخذنا في الاعتبار الخسائر في قلب المحث (الذي لا يمكن إهماله باستخدام محاثة غير منتقاة على النحو الأمثل) ، فلن تكون الصورة محبطة للغاية.

دعونا نقدر متوسط ​​كفاءة PowerBank (عند 13.2 فولت) عند التفريغ. يتكون من كفاءة المحول نفسه ، بالإضافة إلى:

CellCS - التيار من خلاله يساوي تيار الإدخال للمحول ، المقاومة هي 5mOhm ، الخسائر:



CHGFET و DSGFET - التيار من خلالها يساوي تيار الإدخال للمحول ، المقاومة هي 5mOhm ، إجمالي الخسائر:



ثم كفاءة PowerBank أثناء التفريغ:



Thermogram يظهر المحول بجهد دخل 14.4 فولت وتيار خرج 3.5 أمبير أدناه:



تبين أن الترانزستور C هو أكثر النقاط حرارة ، ولكن تسخينه (عند درجة حرارة 21 درجة) كان 41.1 درجة فقط بعد 30 دقيقة من التشغيل. من الواضح أنه في حالة هذه الأرقام ستكون أعلى ، لكن احتياطي الحرارة الزائدة ضخم.

وفي ختام الجزء الأول من المقالة ، أود أن أقول إن العمل كان كبيرًا جدًا ، وفي الجزء الثاني من المقالة سنلقي نظرة على مكونات الأجهزة والبرامج عند بدء التصميم ، وتهيئة BQ40Z60 والبرمجيات لـ STM32F0. اتمنى ان يكون ممتع

ملاحظة: سيتم نشر الأرشيف مع لوحة المسودة وشفرة المصدر في الأجزاء التالية من المقالة.
لاحظت PPS أنها نسيت أهم شيء تقريبًا لهذا الجزء من المقالة - صورة للتخطيط. صيح

على اللوحة ، يمكنك رؤية آثار التصحيحات ، بالإضافة إلى آثار ارتداء مفتوح في حقيبة ظهر (مسارات محترقة في المنطقة التي تتصل بها البطارية). التصميم ليس بالتأكيد الأكثر أناقة ، ولكن حتى في هذا الشكل يمكن استخدامه.

Source: https://habr.com/ru/post/ar386099/