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Développement d'une banque d'alimentation pour ordinateur portable. De la mise en page au produit fini. Partie un

Je voulais me fabriquer une batterie externe pour ordinateur portable depuis longtemps, il y a 3-4 ans pour travailler dans le parc. Même si je n'avais pas réalisé le rêve de dessiner des diagrammes et des tableaux de bord dans Gorky Park ou dans la forêt Bitsevsky (pour l'instant), j'ai fait une batterie externe (appelons-la moderne - PowerBank). À propos de la façon dont cet appareil est passé d'un modèle de planche à pain à un produit final et pourquoi j'ai fait ce qui est déjà sur le marché sous un chat.



Au départ, je voulais écrire un court article sur le développement de PowerBank, mais quand j'ai commencé, j'ai réalisé qu'une partie était indispensable. Par conséquent, je l'ai divisé en 4 parties et maintenant je porte à votre attention la première d'entre elles: la mise en page (circuits).

De toute évidence, le développement de tout appareil électronique commence par une spécification technique (TOR), j'ai donc décrit pour moi-même un certain nombre de paramètres que ma PowerBank devrait fournir:

  • Tension d'entrée de 19 V (pour la possibilité de charger à partir d'une mémoire d'ordinateur portable standard)
  • Tension de sortie de 19 V (comme avec une mémoire standard)
  • courant de sortie maximal de 3,5 A (comme avec une mémoire standard)
  • capacité de la cellule d'au moins 60 W * h (+1 batterie interne)

En plus des exigences de base, j'en ai ajouté quelques autres:

  • L'efficacité du convertisseur et de la mémoire n'est pas inférieure à 94% - pour se passer de radiateurs.
  • 300 — .
  • USB PowerBank , , , , ..
  • (Windows) PowerBank.
  • , 5 USB .
  • PowerBank.
  • () PowerBank .

Pour commencer le développement, j'ai fait un schéma de principe du futur appareil:



Commentant le schéma, je peux dire que je pourrais prendre le directeur général de l'USB, mais j'avais peur des difficultés de développer un logiciel USB (plus tard, j'ai réalisé que c'était en vain), j'ai donc installé le convertisseur USART - USB.

Étant donné que l'appareil a été initialement développé pour lui-même, il a été décidé de faire la mise en page principalement à partir des pièces en ma possession et avec lesquelles j'avais déjà travaillé (pour éviter les pièges). Cependant, l'optimisation des prix à ce stade n'a pas été effectuée. Par conséquent, j'ai choisi les composants suivants pour PowerBank:

  1. MK - STM32F051K4U6 avec un viseur remplacé par STM32F042K4U6.
  2. USART <-> Convertisseur USB vers CP2102. Ce n'est pas cher, ça marche bien, ça prend peu de place, une solution de rodage.
  3. — LTC3780IG. / , -, 400, , . LM5175 TI .
  4. — LP2951ACD-3.3. , . 120 MCP1703T-3302E/CB 5.
  5. 0805.
  6. SMD.

Séparément, nous abordons le choix d'un chargeur (chargeur) et d'un système de contrôle et de gestion des batteries Li-ion (Li-ion Battery Management System ou BMS). Il y a quelques années, je réparais des ordinateurs portables et je voyais souvent du BMS de Texas Instruments dans des batteries. Par conséquent, tout d'abord, j'ai commencé à chercher une solution pour mon appareil auprès de ce fabricant. Il convient de noter qu'en général, il n'y a pas d'alternative, car seuls quelques bureaux produisent de tels microcircuits (TI, Maxim, certains LT, ST abandonnés, Intersil est exotique pour nous, peut-être plus, mais je ne sais pas). Alors errant dans les étendues de ti.com, je suis tombé sur une puce très intéressante BQ40Z60RHBRce sont la mémoire et le BMS dans une seule puce. Je l'ai vraiment aimé car il a remplacé 2 microcircuits. Cette solution est nettement moins chère que si vous faites séparément la mémoire et le BMS et prend moins de place. Caractéristiques de performance principales de la puce BQ40Z60:

  • Courant de charge: jusqu'à 4A
  • Nombre de cellules: jusqu'à 4x
  • Fréquence de conversion: 1 MHz
  • Tension d'entrée: jusqu'à 25 V
  • Capacité de la cellule: jusqu'à 65A * h
  • Fonction d'équilibrage
  • LED configurables pour indication (charge, capacité)

La puce est assez récente (sortie fin 2014), donc il y a peu d'informations dessus et j'étais un peu inquiet à cause de cela, sachant que la BI de TI est assez difficile à programmer, et c'est aussi un combo (mémoire + BMS). Je m'inquiétais aussi un peu des éventuels montants du cristal, mais sachant que je n'utiliserais que les fonctionnalités de base, j'espérais qu'il n'y aurait pas de problèmes. Cependant, pour l'avenir, je dirai que cela s'est produit.
Soit dit en passant, ce n'est pas en vain que je n'ai rien dit sur les cellules et la configuration de la batterie, ce n'est que maintenant que le temps est venu de faire le choix. Il existe plusieurs critères pour une sélection optimale de la configuration de la batterie:

  1. . 4 ( 4s1p 4-serial 1-parallel) , 4 (1s4p) . .



  2. , , ( ) . 4s1p.
  3. . MP2307DN.


Étant donné que la tension de sortie de l'appareil 19V, encore une fois, la configuration 4s1p est la plus avantageuse.

Maintenant, nous allons calculer certains paramètres de la batterie dans des conditions de capacité de 60 W * h, configuration 4s1p (tension 14.8V):



le chiffre que j'ai trouvé était trop petit (enfin, ou l'appétit est venu avec un repas) et j'ai décidé de passer en configuration 4s2p sur des cellules LP 5558115 3500mAh, qui étaient en stock. Total, nous avons:

Capacité de la batterie: 7A * h (103W * h)
Tension: 14.8V

Ce résultat me convenait assez bien - il s'agissait de plus de deux batteries internes de mon ordinateur portable (ASUS S451L, 46W * h). Le développement de la mise en page a commencé ...

Au stade de la mise en page, je voulais ajouter quelques fonctionnalités supplémentaires:

  • connecté les LED BQ40Z60. Ils ont une indication fonctionnelle du niveau de charge avec des seuils réglables, ainsi que du processus de charge.
  • Ajout de la possibilité d'ajuster la fréquence / le mode de fonctionnement (courants discontinus ou inextricables) du convertisseur (en utilisant un filtre PWM MK + RC).

J'ai esquissé le circuit de liaison BQ40Z60 à partir de la carte de débogage BQ40Z60EVM-578, la liaison LTC3780IG de sa documentation, j'ai fait le reste moi-même. Le résultat est le schéma suivant .

Le schéma est divisé en 3 blocs:

  • Bloc convertisseur de tension
  • Unité de stockage + BMS
  • Unité de commande MK

Commentaires sur le schéma: le convertisseur et le chargeur + BMS sont réalisés selon les schémas de la documentation [1] , [2] , le boîtier de commande a été réalisé afin de mettre en œuvre un mode veille pour la consommation de courant minimale en mode arrêt. Pour l'avenir, je dirai que dans quelques instants, je l'ai fait, mais avec l'aide d'un couteau et d'un fer à souder, j'ai pu faire la mise en page comme il se doit. Le panneau résultant est illustré ci-dessous: Le



panneau contient 4 couches de 18 μm, l'épaisseur totale de 1 mm, commandées sur seeedstudio.com.

Il est maintenant temps de toucher à l'indicateur principal de la qualité du fer - c'est l'efficacité de l'ensemble du système dans son ensemble. Plus précisément, nous avons 2 efficacité: lors de la charge de la batterie et lors de la décharge. À strictement parler, l'efficacité de la charge ne doit être optimisée que pour réduire le chauffage de l'appareil (en supposant que nous avons beaucoup d'énergie pour la charge), tandis que la perte d'efficacité pendant la décharge réduit en fait la capacité réelle de la PowerBank. Faisons une liste des éléments qui affectent directement l'efficacité lors de la charge:



ACFET - un transistor qui empêche l'apparition de tension sur le connecteur d'alimentation externe lors de l'utilisation de PowerBank à partir de la batterie.
HighSideFET - le transistor supérieur du convertisseur abaisseur du chargeur.
LowSideFET - transistor inférieur du convertisseur abaisseur de mémoire.
BuckInductor - l'accélérateur du convertisseur buck mémoire.
CHGRCS - résistance du capteur de courant de mémoire.
CHGFET - transistor de charge de batterie.
DSGFET - batterie à transistor de décharge.
CellCS est une résistance de capteur de courant de batterie.

Les transistors ACFET, CHGFET et DSGFET pendant le fonctionnement n'ont que des pertes statiques car ils sont constamment ouverts et sont des résistances avec une résistance égale à la résistance de canal ouvert du transistor Rds_on, donc ces transistors devraient avoir le Rds_on le plus bas. J'ai choisi les boîtiers de transistor pqfn3.3x3.3 comme étant adaptés en puissance et ayant une taille plus petite par rapport à mon pqfn5x6 préféré. IRFHM830D (Rds_on = 5mOhm + diode Schottky) était la plus petite résistance de canal des plus facilement accessibles.

Les transistors HighSideFET et LowSideFET fonctionnent en mode pulsé, leur sélection est compliquée et sera envisagée ultérieurement.

Essayons d'estimer les pertes à la tension d'entrée 19V, le courant de charge de la batterie 4A, la configuration 4s1p:

CellCS - le courant qui le traverse est égal au courant de charge, la résistance est 5mOhm, les pertes:



CHGRCS - le courant qui le traverse est égal au courant de charge, la résistance 10mOhm, les pertes:



CHGFET et DSGFET - le courant passe d'entre eux est égal au courant de charge, résistance 5mOhm, pertes totales:



ACFET - le courant qui le traverse est égal au courant d'entrée (prenez le courant d'entrée maximum possible 3,5A est le maximum qu'une mémoire d'ordinateur portable ordinaire peut donner), résistance 5mOhm, pertes:



Ici vous pouvez ajouter des pertes sur la résistance des fils du panneau de cellules, et t Pistes également de la planche elle-même. Je les ai calculés en mesurant la chute de tension à un courant dans le circuit de batterie de 4A, elle était de 36mV, ce qui correspond à la puissance:



BuckInductor - les pertes dans l'accélérateur peuvent être divisées en 2 composants:

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



  • , Vishay , 20%, .

Les pertes de charge totales totales sur les composants statiques sont:



Afin d'obtenir des pertes de charge totales, il est nécessaire d'estimer les pertes sur les transistors HighSideFET et LowSideFET. L'apnot AN-6005 de fairchildsemi m'a aidé avec ça . En bref, sur l'onglet ControllerDriver, ajoutez notre contrôleur à la base de données et entrez les paramètres requis dans le tableau:



Nous prenons les données de la documentation du BQ40Z60 . Ensuite, remplissez le tableau avec les paramètres des transistors HighSideFET et LowSideFET sur l'onglet MOSFETDatabase:



Nous prenons également les données de la documentation des transistors. J'ai expérimenté de nombreux transistors (vus depuis la base) car la fréquence de conversion en 1 MHz est assez élevée. De tous les transistors que j'ai pu obtenir rapidement le meilleur, le CSD17308 de TI s'est avéré être le meilleur. Cependant, ce ne sont que les transistors recommandés de la baleine BQ40Z60EVM . Les meilleurs calculs ont été les transistors eGaN d'EPC (Efficient Power Conversion), mais le prix de 500r, un mois d'attente et un cas spécifique ont joué contre lui. Quelques commentaires supplémentaires de l'onglet MOSFETDatabase: La

colonne de droite - Fig.Merit (Figure de mérite - Niveau de qualité) est le produit de Rds_on et la charge d'obturation Qgsw. En général, plus le Fig.Merit est bas, meilleur est le transistor, mais vous devez comprendre qu'il s'agit d'un indicateur assez empirique.

Dans l'onglet EfficiencySummary, sélectionnez le contrôleur, les transistors utilisés et leur nombre, définissez les paramètres source et cliquez sur le bouton Exécuter.



Pour un courant de charge de 4A et une tension d'entrée de 19V, les pertes seront de 1,17W. Pertes totales:



Après avoir assemblé le schéma, j'ai mesuré le circuit de charge avec les mêmes paramètres que dans les calculs estimés: l'



efficacité du circuit est de 97,1%, tandis que la perte de puissance était de 1,908 W à la valeur calculée de 2,07 W. Eh bien, il s'est avéré très proche d'estimer la perte. Un thermogramme d'un appareil en fonctionnement est illustré sur la figure.



Température ambiante 23 degrés, planche sans boîtier. 58 degrés au point le plus chaud (la surchauffe est de 58-23 = 35 degrés) avec une feuille de 18 μm, c'est un très bon indicateur. L'accélérateur en même temps s'est réchauffé à 40 - très probablement il est chauffé par des transistors. Le contrôleur lui-même s'est réchauffé à 52 degrés.

Nous passons maintenant à l'estimation de l'efficacité du système pendant la décharge. Dès le début, nous évaluerons les pertes dans le convertisseur lui-même. Pour ce faire, nous compilons une liste d'éléments affectant directement l'efficacité:



A est le transistor supérieur du bras inférieur du convertisseur LTC3780.
B - bras de descente du transistor inférieur.
C est le transistor inférieur de l'épaule croissante.
D est le transistor supérieur de l'épaule croissante.
L - accélérateur.
RS est la résistance du capteur de courant.

Et bien sûr la consommation du contrôleur LTC3780 lui-même. Je ne m'attarderai pas sur le fonctionnement du microcircuit en détail, je peux seulement dire qu'il représente en fait un convertisseur abaisseur debout après un convertisseur élévateur avec une inductance commune. Selon les tensions d'entrée et de sortie, une partie ou la seconde ou les deux fonctionnent (avec une égalité approximative des tensions d'entrée et de sortie).

Pour calculer l'efficacité du convertisseur, nous utiliserons les paramètres suivants:



Soyons d'accord qu'un ordinateur portable consomme toujours au maximum. En réalité, cela est proche de la vérité, car lors de la connexion d'une source externe, en plus de l'énergie, elle consomme également de l'énergie pour charger la batterie interne, et en général, s'il y a une alimentation externe, elle ne refuse pas la consommation. Les tensions correspondent à la tension nominale des cellules - 3,7 V et faible - 3,3 V. Il est important de noter que le convertisseur de l'appareil actuel fonctionne toujours en mode boost (la tension d'entrée ne dépasse jamais la tension de sortie), mais cela ne signifie pas que les transistors A et B ne commutent pas. Pour charger le condensateur d'amorçage, désactivez brièvement le transistor A et allumez B (la même chose se produira lors d'un fonctionnement dans un mode inférieur pour les transistors C et D). Pour le LTC3780, cela se produit à une fréquence de 40 kHz.

Pour estimer les pertes, nous utilisons le fichier xls pour LTC3780 du package LTpowerCAD2. Le principe de fonctionnement est similaire au travail précédent avec xls pour le BQ40Z60. Nous entrons toutes les valeurs de la tension et du courant de sortie, la tension d'entrée, la fréquence de conversion souhaitée, les paramètres des transistors clés (j'ai décidé d'utiliser CSD17308 comme dans la mémoire). L'inductance a été choisie IHLP5050EZER3R3M01 qui a un DCR typique = 7,7 mOhm. Pour 3.5A, l'inductance est petite, c'est arrivé car lorsque j'ai acheté des composants, je comptais sur un courant de sortie de 4.5A. Pour la configuration actuelle, l'IHLP5050EZER4R7M01 avec un DCR typique = 12,8 mOhm serait une option idéale. Capteur de courant - résistance de taille 2512 avec une résistance de 5mOhm.

Après avoir entré toutes les données dans les champs MOSFETs Power Loss Breakdown et Estimated Efficiency, il y aura des graphiques circulaires de la distribution des pertes de composants et de l'estimation de l'efficacité pour la tension d'entrée / sortie et le courant de charge spécifiés.



L'estimation du rendement est très optimiste - 98,79% à une tension d'entrée de 14,8 V et 98,51% à 13,2 V (chiffres hors pertes dans le cœur de l'inductance). Les principaux éléments sur lesquels se produisent les pertes sont l'inductance / capteur de courant (23%), le transistor A (25%) et D (38% des pertes totales).

Il est temps de mesurer l'efficacité réelle.



L'efficacité mesurée est de 96,93% à une tension d'entrée de 14,8 V et de 96,35% à 13,2 V. Analysons les données obtenues. Pour ce faire, nous traduisons le pourcentage d'efficacité de la perte de puissance:



Dans ce cas, l'écart est plus significatif par rapport à l'estimation des pertes dans le convertisseur mémoire et s'élève à 1,48W. Mais si l'on prend en compte les pertes dans le coeur de l'inductance (qui ne peuvent être négligées avec une inductance non choisie de manière optimale), l'image ne sera pas si déprimante.

Estimons l'efficacité moyenne (à 13,2 V) de PowerBank à la décharge. Il se compose de l'efficacité du convertisseur lui-même, ainsi que de:

CellCS - le courant qui le traverse est égal au courant d'entrée du convertisseur, la résistance est de 5 mOhm, les pertes:



CHGFET et DSGFET - le courant qui les traverse est égal au courant d'entrée du convertisseur, la résistance est de 5 mOhm, les pertes totales:



puis l'efficacité PowerBank pendant la décharge:



Thermogramme le convertisseur avec une tension d'entrée de 14,4 V et un courant de sortie de 3,5 A est illustré ci-dessous:



Le transistor C s'est avéré être le point le plus chaud, mais son chauffage (à une température ambiante de 21 degrés) n'était que de 41,1 degrés après 30 minutes de fonctionnement. Il est clair que dans le cas où ces chiffres seront plus élevés, mais la réserve de surchauffe est énorme.

Et en conclusion de la première partie de l'article, je voudrais dire que le travail était très volumineux, et dans la deuxième partie de l'article, nous verrons les râteaux matériels et logiciels lors du démarrage de la mise en page, la configuration du BQ40Z60 et du logiciel pour STM32F0. J'espère que c'était intéressant.

PS: Les archives avec le projet de tableau et le code source seront publiées dans les parties suivantes de l'article.
PPS a remarqué qu'il avait oublié presque la chose la plus importante pour cette partie de l'article - une photo de la mise en page. Correct

Sur la carte, vous pouvez voir des traces de corrections, ainsi que des traces d'usure ouvertes dans un sac à dos (traces brûlées dans la zone où la batterie est connectée). La disposition n'est certainement pas la plus élégante, mais même sous cette forme, elle peut être utilisée.

Source: https://habr.com/ru/post/fr386099/

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