Desarrollo de un banco de energía para una computadora portátil. Desde el diseño hasta el producto terminado. Parte uno

Quería hacerme una batería de computadora portátil externa por mucho tiempo, hace 3-4 años, para trabajar en el parque. Aunque no cumplí el sueño de dibujar diagramas y trazar tablas en Gorky Park o el Bosque de Bitsevsky (por ahora), hice una batería externa (llamémosla moderna - PowerBank). Acerca de cómo este dispositivo pasó de un modelo de placa de pruebas a un producto final y por qué hice lo que ya está en el mercado con un gato.



Inicialmente, quería escribir un breve artículo sobre el desarrollo de PowerBank, pero cuando comencé, me di cuenta de que una parte era indispensable. Por lo tanto, lo dividí en 4 partes y ahora les traigo a la atención la primera de ellas: diseño (circuitos).

Obviamente, el desarrollo de cualquier dispositivo electrónico comienza con una especificación técnica (TOR), por lo que describí una serie de parámetros que mi PowerBank debería proporcionar:

• Voltaje de entrada de 19 V (para la posibilidad de cargar desde una memoria portátil estándar)
• Voltaje de salida de 19 V (como con una memoria estándar)
• corriente de salida máxima 3.5A (como con una memoria estándar)
• capacidad de la celda al menos 60 W * h (+1 batería interna)

Además de los requisitos básicos, agregué algunos más:

• La eficiencia del convertidor y la memoria no es inferior al 94%, sin radiadores.
• 300 — .
• USB PowerBank , , , , ..
• (Windows) PowerBank.
• , 5 USB .
• PowerBank.
• () PowerBank .

Para comenzar el desarrollo, hice un diagrama de bloques del dispositivo futuro:



Al comentar sobre el esquema, puedo decir que podría tomar el director gerente de USB, pero tenía miedo de las dificultades de desarrollar software USB (más tarde me di cuenta de que era en vano), así que instalé el convertidor USART - USB.

Dado que el dispositivo se desarrolló originalmente para sí mismo, se decidió hacer el diseño principalmente de las partes que tenía en mi poder y con las que ya había trabajado (para evitar dificultades). Sin embargo, la optimización de precios en esta etapa no se llevó a cabo. Por lo tanto, elegí los siguientes componentes para PowerBank:

1. MK - STM32F051K4U6 con una mira reemplazada por STM32F042K4U6.
2. Convertidor USART <-> USB a CP2102. No es costoso, funciona bien, ocupa poco espacio, una solución de ejecución.
3. — LTC3780IG. / , -, 400, , . LM5175 TI .
4. — LP2951ACD-3.3. , . 120 MCP1703T-3302E/CB 5.
5. 0805.
6. SMD.

Por separado, tocamos la elección de un cargador (cargador) y un sistema de control y gestión para baterías de iones de litio (Sistema de gestión de baterías de iones de litio o BMS). Hace unos años, estaba reparando computadoras portátiles y a menudo veía BMS de Texas Instruments en baterías. Por lo tanto, en primer lugar, comencé a buscar una solución para mi dispositivo de este fabricante. Vale la pena señalar que, en general, no hay alternativa, ya que solo unas pocas oficinas producen tales microcircuitos (TI, Maxim, algunos LT, ST abandonados, Intersil es exótico para nosotros, tal vez haya más, pero no lo sé). Así que deambulando por las extensiones de ti.com me encontré con un chip muy interesante BQ40Z60RHBREstos son memoria y BMS en un chip. Realmente me gustó porque reemplazó 2 microcircuitos. Esta solución es claramente más barata que si hace la memoria y el BMS por separado y ocupa menos espacio. Principales características de rendimiento del chip BQ40Z60:

• Corriente de carga: hasta 4A
• Número de celdas: hasta 4x
• Frecuencia de conversión: 1 MHz
• Voltaje de entrada: hasta 25 V
• Capacidad de la celda: hasta 65 A * h
• Función de equilibrio
• LED configurables para indicación (carga, capacidad)

El chip es bastante nuevo (lanzamiento a fines de 2014), por lo que hay poca información y estaba un poco preocupado por esto, sabiendo que BI de TI es bastante difícil de programar, y esto también es un combo (memoria + BMS). También me preocupé un poco por las posibles jambas en el cristal, pero sabiendo que usaría solo la funcionalidad básica, esperaba que no hubiera problemas. Sin embargo, mirando hacia el futuro, diré que sucedió.
Por cierto, no fue en vano que no dije prácticamente nada sobre las celdas y la configuración de la batería, solo que ahora ha llegado el momento de pasar a la elección. Existen varios criterios para la selección óptima de la configuración de la batería:

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

Dado que el voltaje de salida del dispositivo de 19V, nuevamente, la configuración 4s1p es más ventajosa.

Ahora calcularemos algunos parámetros de la batería bajo la condición de 60W * h de capacidad, configuración 4s1p (voltaje 14.8V):



la cifra que encontré era demasiado pequeña (bueno, o el apetito vino con una comida) y decidí cambiar a la configuración 4s2p en las celdas LP 5558115 3500mAh, que estaban en stock Total que tenemos:

Capacidad de la batería: 7A * h (103W * h)
Voltaje: 14.8V

Este resultado me vino bastante bien: eran más de dos baterías internas de mi computadora portátil (ASUS S451L, 46W * h). El desarrollo del diseño comenzó ...

En la etapa de diseño, quería establecer algunas características adicionales:

• conectado los LED BQ40Z60. Tienen una indicación funcional del nivel de carga con umbrales ajustables, así como del proceso de carga.
• Se agregó la capacidad de ajustar la frecuencia / modo de operación (corrientes discontinuas o inextricables) del convertidor (usando un filtro PWM MK + RC).

Dibujé el circuito de enlace BQ40Z60 de la placa de depuración BQ40Z60EVM-578, el enlace LTC3780IG de su documentación, hice el resto yo mismo. El resultado es el siguiente esquema .

El esquema se divide en 3 bloques:

• Unidad de convertidor de voltaje
• Unidad de almacenamiento + BMS
• Unidad de control MK

Comentarios sobre el esquema: la unidad de conversión y el cargador + BMS se realizan de acuerdo con los esquemas de la documentación [1] , [2] , la unidad de control se realizó para implementar un modo de suspensión para el consumo mínimo de corriente en modo apagado. Mirando hacia el futuro, diré que en un par de momentos lo hice, pero con la ayuda de un cuchillo y un soldador pude hacer que el diseño funcionara como debería. El tablero resultante se muestra a continuación: El



tablero contiene 4 capas de 18 μm, el espesor total de 1 mm, ordenado en seeedstudio.com.

Ahora es el momento de tocar el indicador principal de la calidad del hierro: esta es la eficiencia de todo el sistema en su conjunto. Más precisamente, tenemos 2 eficiencia: al cargar la batería y al descargar. Estrictamente hablando, la eficiencia de la carga debe optimizarse solo para reducir el calentamiento del dispositivo (suponiendo que tengamos mucha energía para la carga), mientras que la pérdida de eficiencia durante la descarga en realidad reduce la capacidad real del PowerBank. Hagamos una lista de los elementos que afectan directamente la eficiencia durante la carga:



ACFET: un transistor que evita la aparición de voltaje en el conector de alimentación externo al usar PowerBank de la batería.
HighSideFET: el transistor superior del convertidor reductor del cargador.
LowSideFET: transistor inferior del convertidor de memoria.
BuckInductor: el acelerador del convertidor de memoria.
CHGRCS - resistencia del sensor de corriente de memoria.
CHGFET - transistor de carga de batería.
DSGFET - descarga la batería del transistor.
CellCS es una resistencia de sensor de corriente de batería.

Los transistores ACFET, CHGFET y DSGFET durante la operación solo tienen pérdidas estáticas ya que están constantemente abiertos y son resistencias con una resistencia igual a la resistencia de canal abierto del transistor Rds_on, por lo que estos transistores deberían tener el Rds_on más bajo. Elegí las cajas de transistores pqfn3.3x3.3 como adecuadas en potencia y que tienen un tamaño más pequeño en comparación con mi pqfn5x6 favorito. Con la resistencia de canal más pequeña de las de fácil acceso fueron IRFHM830D (Rds_on = 5mOhm + diodo Schottky).

Los transistores HighSideFET y LowSideFET funcionan en modo pulsado, su selección es complicada y se considerará más adelante.

Tratemos de estimar las pérdidas en el voltaje de entrada 19V, corriente de carga de la batería 4A, configuración 4s1p:

CellCS - la corriente a través de ella es igual a la corriente de carga, resistencia es 5mOhm, pérdidas:



CHGRCS - la corriente a través de ella es igual a la corriente de carga, resistencia 10mOhm, pérdidas:



CHGFET y DSGFET - corriente a través de de ellos es igual a la corriente de carga, resistencia de 5 mOhm, pérdidas totales:



ACFET: la corriente a través de ella es igual a la corriente de entrada (tome la corriente de entrada máxima posible 3.5A es el máximo que puede proporcionar una memoria de computadora portátil normal), resistencia de 5 mOhm, pérdidas:



aquí puede agregar pérdidas en la resistencia de los cables de la placa celular, y t También pistas del tablero en sí. Los calculé midiendo la caída de voltaje a una corriente en el circuito de la batería de 4A, fue de 36 mV, que corresponde a la potencia:



BuckInductor: las pérdidas en el acelerador se pueden dividir en 2 componentes:

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

Las pérdidas totales de carga total en componentes estáticos son:



Para obtener pérdidas de carga total, es necesario estimar las pérdidas en los transistores HighSideFET y LowSideFET. El apéndice AN-6005 de fairchildsemi me ayudó con esto . En resumen, en la pestaña ControllerDriver, agregue nuestro controlador a la base de datos e ingrese los parámetros requeridos en la tabla:



Tomamos los datos de la documentación para BQ40Z60 . Luego, complete la tabla con los parámetros de los transistores HighSideFET y LowSideFET en la pestaña MOSFETDatabase:



También tomamos datos de la documentación para transistores. Experimenté con muchos transistores (vistos desde la base) porque la frecuencia de conversión en 1 MHz es bastante alta. De todos los transistores que pude obtener rápidamente, el CSD17308 de TI resultó ser el mejor. Sin embargo, estos son solo los transistores recomendados de la ballena BQ40Z60EVM . Los mejores cálculos fueron los transistores eGaN de EPC (Efficient Power Conversion), pero el precio de 500r, un mes de espera y un caso específico jugaron en su contra. Un par de comentarios más de la pestaña MOSFETDatabase: La

columna derecha - Fig. Merit (Figura de mérito - Nivel de calidad) es el producto de Rds_on y la carga del obturador Qgsw. En general, cuanto más bajo es el Fig. Merit, mejor es el transistor, pero debe comprender que este es un indicador bastante empírico.

En la pestaña EfficiencySummary, seleccione el controlador, los transistores utilizados y su número, establezca los parámetros de origen y haga clic en el botón Ejecutar.



Para una corriente de carga de 4A y un voltaje de entrada de 19V, las pérdidas serán de 1.17W. Pérdidas totales:



después de ensamblar el diseño, medí el circuito de carga con los mismos parámetros que en los cálculos estimados: la



eficiencia del circuito es del 97.1%, mientras que la pérdida de potencia fue de 1.908W en el 2.07W calculado. Bueno, resultó muy cercano para estimar la pérdida. Un termograma de un dispositivo de trabajo se muestra en la figura.



Temperatura ambiente 23 grados, tabla sin carcasa. 58 grados en el punto más caliente (el sobrecalentamiento es 58-23 = 35 grados) con una lámina de 18 μm, este es un muy buen indicador. El acelerador al mismo tiempo se calentó a 40, lo más probable es que sea calentado por transistores. El controlador mismo se calentó hasta 52 grados.

Ahora pasamos a estimar la eficiencia del sistema durante la descarga. Desde el principio evaluaremos las pérdidas en el convertidor mismo. Para hacer esto, compilamos una lista de elementos que afectan directamente la eficiencia:



A es el transistor superior del brazo inferior del convertidor LTC3780.
B - brazo de bajada del transistor inferior.
C es el transistor inferior del hombro creciente.
D es el transistor superior del hombro creciente.
L - acelerador.
RS es la resistencia del sensor de corriente.

Y, por supuesto, el consumo del controlador LTC3780 en sí. No me detendré en el funcionamiento del microcircuito en detalle, solo puedo decir que en realidad representa un convertidor reductor de pie después de un convertidor elevador con un inductor común. Dependiendo de los voltajes de entrada y salida, una parte, la segunda, o ambas funcionan (con una igualdad aproximada de los voltajes de entrada y salida).

Para calcular la eficiencia del convertidor, utilizaremos los siguientes parámetros:



Acordemos que una computadora portátil siempre consume al máximo. En realidad, esto está cerca de la verdad, porque al conectar una fuente externa, además de energía, también consume energía para cargar la batería interna y, en general, si hay energía externa, no rechaza el consumo. Los voltajes corresponden al voltaje nominal de las celdas - 3.7V y bajo - 3.3V. Es importante tener en cuenta que el convertidor en el dispositivo actual siempre funciona en modo de refuerzo (el voltaje de entrada nunca excede el voltaje de salida), pero esto no significa que los transistores A y B no cambien. Para cargar el condensador de arranque, apague brevemente el transistor A y encienda B (lo mismo sucederá cuando opere en un modo inferior para los transistores C y D). Para LTC3780, esto sucede a una frecuencia de 40 kHz.

Para estimar las pérdidas, utilizamos el archivo xls para LTC3780 del paquete LTpowerCAD2. El principio de funcionamiento es similar al trabajo anterior con xls para el BQ40Z60. Ingresamos todos los valores del voltaje y la corriente de salida, el voltaje de entrada, la frecuencia de conversión deseada, los parámetros de los transistores clave (decidí usar CSD17308 como en la memoria). El inductor fue seleccionado IHLP5050EZER3R3M01 que tiene un DCR típico = 7.7mOhm. Para 3.5A, la inductancia es pequeña, sucedió porque cuando compré componentes, contaba con una corriente de salida de 4.5A. Para la configuración actual, el IHLP5050EZER4R7M01 con un DCR típico = 12.8mOhm sería una opción ideal. Sensor de corriente - resistencia del tamaño 2512 con una resistencia de 5mOhm.

Después de ingresar todos los datos en los campos Desglose de pérdida de potencia de MOSFET y Eficiencia estimada, habrá gráficos circulares de la distribución de pérdida de componentes y la estimación de eficiencia para el voltaje de entrada / salida especificado y la corriente de carga.



La estimación de eficiencia es muy optimista: 98.79% a un voltaje de entrada de 14.8V y 98.51% a 13.2V (cifras que excluyen pérdidas en el núcleo del inductor). Los principales elementos en los que se producen pérdidas son el inductor / sensor de corriente (23%), el transistor A (25%) y D (38% de las pérdidas totales).

Es hora de medir la eficiencia real.



La eficiencia medida es de 96.93% a un voltaje de entrada de 14.8V y 96.35% a 13.2V. Analicemos los datos obtenidos. Para hacer esto, traducimos el porcentaje de eficiencia en la pérdida de energía:



En este caso, la discrepancia es más significativa en comparación con la estimación de pérdidas en el convertidor de memoria y asciende a 1,48 W. Pero si tenemos en cuenta las pérdidas en el núcleo del inductor (que no se puede descuidar con una inductancia no seleccionada de manera óptima), la imagen no será tan deprimente.

Calculemos la eficiencia promedio (a 13.2V) de PowerBank en la descarga. Consiste en la eficiencia del convertidor en sí, así como:

CellCS: la corriente a través de él es igual a la corriente de entrada del convertidor, la resistencia es de 5 mOhm, las pérdidas:



CHGFET y DSGFET: la corriente a través de ellos es igual a la corriente de entrada del convertidor, la resistencia es de 5 mOhm, las pérdidas totales:



luego la eficiencia del PowerBank durante la descarga:



termograma El convertidor con un voltaje de entrada de 14,4 V y una corriente de salida de 3,5 A se muestra a continuación:



El transistor C resultó ser el punto más caliente, pero su calentamiento (a una temperatura ambiente de 21 grados) fue de solo 41,1 grados después de 30 minutos de funcionamiento. Está claro que en el caso estos números serán más altos, pero la reserva de sobrecalentamiento es enorme.

Y en conclusión de la primera parte del artículo, me gustaría decir que el trabajo fue muy grande, y en la segunda parte del artículo analizaremos los rastrillos de hardware y software al comenzar el diseño, configurando el BQ40Z60 y el software para STM32F0. Espero que haya sido interesante.

PD: El archivo con el borrador del tablero y el código fuente se publicarán en las siguientes partes del artículo.
PPS notó que olvidó casi lo más importante para esta parte del artículo: una foto del diseño. Correcto

En el tablero puede ver rastros de correcciones, así como rastros de uso abierto en una mochila (huellas quemadas en el área donde está conectada la batería). El diseño ciertamente no es el más elegante, pero incluso de esta forma se puede usar.

Source: https://habr.com/ru/post/es386099/