Desenvolvimento de um banco de potência para um laptop. Do layout ao produto final. Parte um

Eu queria fabricar uma bateria externa para laptop por um longo tempo, há 3 ou 4 anos, para trabalhar no parque. Embora eu não tenha realizado o sonho de desenhar diagramas e quadros de rastreamento no Gorky Park ou na Floresta Bitsevsky (por enquanto), fiz uma bateria externa (vamos chamá-la de moderna - PowerBank). Sobre como esse dispositivo passou de um modelo de placa de ensaio para um produto final e por que eu fiz o que já está no mercado sob um gato.



Inicialmente, eu queria escrever um pequeno artigo sobre o desenvolvimento do PowerBank, mas quando comecei, percebi que uma parte era indispensável. Portanto, eu o dividi em quatro partes e agora trago à sua atenção o primeiro deles: layout (circuitos).

Obviamente, o desenvolvimento de qualquer dispositivo eletrônico começa com uma especificação técnica (TOR), então eu descrevi para mim uma série de parâmetros que meu PowerBank deve fornecer:

• Tensão de entrada de 19V (para a possibilidade de carregar a partir de uma memória padrão de laptop)
• Tensão de saída de 19V (como na memória padrão)
• corrente máxima de saída 3.5A (como na memória padrão)
• capacidade da célula de pelo menos 60W * h (+1 bateria interna)

Além dos requisitos básicos, adicionei mais alguns:

• A eficiência do conversor e da memória não é inferior a 94% - sem os radiadores.
• 300 — .
• USB PowerBank , , , , ..
• (Windows) PowerBank.
• , 5 USB .
• PowerBank.
• () PowerBank .

Para iniciar o desenvolvimento, fiz um diagrama de blocos do futuro dispositivo:



comentando o diagrama, posso dizer que poderia pegar o diretor-gerente da USB, mas tinha medo das dificuldades de desenvolver software USB (depois percebi que era em vão) e instalei o conversor USART-USB.

Como o dispositivo foi desenvolvido originalmente para si, foi decidido fazer o layout principalmente a partir das peças que estavam em minha posse e com as quais eu já havia trabalhado (para evitar armadilhas). No entanto, a otimização de preços nesta fase não foi realizada. Portanto, escolhi os seguintes componentes para o PowerBank:

1. MK - STM32F051K4U6 com uma mira substituída por STM32F042K4U6.
2. USART <-> Conversor USB para CP2102. Não é caro, funciona bem, ocupa pouco espaço, uma solução de entrada.
3. — LTC3780IG. / , -, 400, , . LM5175 TI .
4. — LP2951ACD-3.3. , . 120 MCP1703T-3302E/CB 5.
5. 0805.
6. SMD.

Separadamente, abordamos a escolha de um carregador (carregador) e um sistema de controle e gerenciamento para baterias de íon de lítio (Sistema de gerenciamento de bateria de íon de lítio ou BMS). Alguns anos atrás, eu estava consertando laptops e frequentemente via BMS da Texas Instruments em baterias. Portanto, primeiro de tudo, comecei a procurar uma solução para o meu dispositivo deste fabricante. Vale ressaltar que, em geral, não há alternativa, uma vez que apenas alguns escritórios produzem esses chips (TI, Maxim, um pouco de LT, ST abandonado, a Intersil é exótica para nós, talvez exista mais, mas eu não sei). Então, vagando pelas extensões da ti.com me deparei com um chip muito interessante BQ40Z60RHBRestes são memória e BMS em um chip. Eu realmente gostei porque substituiu 2 microcircuitos. Essa solução é claramente mais barata do que se você fizer separadamente a memória e o BMS e ocupar menos espaço. Principais características de desempenho do chip BQ40Z60:

• Corrente de carga: até 4A
• Número de células: até 4x
• Frequência de conversão: 1 MHz
• Tensão de entrada: até 25V
• Capacidade da célula: até 65A * h
• Função de balanceamento
• LEDs configuráveis ​​para indicação (carga, capacidade)

O chip é bastante novo (versão final de 2014), então há poucas informações e fiquei um pouco preocupado por causa disso, sabendo que o BI da TI é bastante difícil de programar, e isso também é uma combinação (memória + BMS). Também me preocupei um pouco com possíveis batentes no cristal, mas, sabendo que usaria apenas a funcionalidade básica, esperava que não houvesse problemas. No entanto, olhando para o futuro, direi que aconteceu.
A propósito, não foi em vão que eu não disse praticamente nada sobre as células e a configuração da bateria, só agora chegou a hora de escolher. Existem vários critérios para a seleção ideal da configuração da bateria:

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

Dado que a tensão de saída do dispositivo de 19V, novamente, a configuração 4s1p é mais vantajosa.

Agora vamos calcular alguns parâmetros da bateria sob a condição de 60W * h de capacidade, configuração 4s1p (tensão 14,8V):



A figura que achei era muito pequena (bem, ou o apetite veio com uma refeição) e decidi mudar para a configuração 4s2p nas células LP 5558115 3500mAh, que estavam em estoque. Total que temos:

Capacidade da bateria: 7A * h (103W * h)
Tensão: 14.8V

Esse resultado me serviu muito bem - foram mais de duas baterias internas do meu laptop (ASUS S451L, 46W * h). O desenvolvimento do layout começou ...

No estágio de layout, eu queria colocar alguns recursos adicionais:

• conectou os LEDs do BQ40Z60. Eles têm uma indicação funcional do nível de carga com limites ajustáveis, bem como do processo de carregamento.
• Foi adicionada a capacidade de ajustar a frequência / modo de operação (correntes descontínuas ou inextricáveis) do conversor (usando um filtro PWM MK + RC).

Esbocei o circuito de ligação BQ40Z60 da placa de depuração BQ40Z60EVM-578, a ligação LTC3780IG da documentação e fiz o resto sozinho. O resultado é o seguinte esquema .

O esquema é dividido em 3 blocos:

• Bloco conversor de tensão
• Unidade de armazenamento + BMS
• Unidade de controle MK

Comentários sobre o esquema: a unidade conversora e o carregador + BMS são feitos de acordo com os esquemas da documentação [1] , [2] , a unidade de controle foi criada para implementar um modo de suspensão para o consumo mínimo de corrente no modo desligado. Olhando para o futuro, direi que em alguns instantes o fiz, mas com a ajuda de uma faca e um ferro de soldar, consegui fazer o layout funcionar como deveria. A placa resultante é mostrada abaixo: A



placa contém 4 camadas de 18 μm, a espessura total de 1 mm, solicitada no seeedstudio.com.

Agora é hora de abordar o principal indicador da qualidade do ferro - essa é a eficiência de todo o sistema como um todo. Mais precisamente, temos 2 eficiência: ao carregar a bateria e ao descarregar. Estritamente falando, a eficiência da carga deve ser otimizada apenas para reduzir o aquecimento do dispositivo (assumindo que temos muita energia para a carga), enquanto a perda de eficiência durante a descarga reduz realmente a capacidade real do PowerBank. Vamos fazer uma lista dos elementos que afetam diretamente a eficiência ao carregar:



ACFET - um transistor que impede o aparecimento de tensão no conector de energia externo ao usar o PowerBank a partir da bateria.
HighSideFET - o transistor superior do conversor abaixador do carregador.
LowSideFET - transistor inferior do conversor de memória buck.
BuckInductor - o acelerador do conversor de buck de memória.
CHGRCS - resistor do sensor de corrente de memória.
CHGFET - transistor de carregamento da bateria.
DSGFET - bateria do transistor de descarga.
CellCS é um resistor do sensor de corrente da bateria.

Os transistores ACFET, CHGFET e DSGFET durante a operação têm apenas perdas estáticas, pois estão constantemente abertos e são resistores com uma resistência igual à resistência do canal aberto do transistor Rds_on, portanto esses transistores devem ter o menor Rds_on. Escolhi as caixas de transistor pqfn3.3x3.3 como adequadas em potência e com um tamanho menor em comparação com o meu pqfn5x6 favorito. Com a menor resistência do canal, os de fácil acesso foram o IRFHM830D (Rds_on = 5mOhm + diodo Schottky).

Os transistores HighSideFET e LowSideFET operam em modo pulsado, sua seleção é complicada e será considerada posteriormente.

Vamos tentar avaliar as perdas na tensão de entrada 19V, corrente de carga da bateria 4A, configuração 4s1p:

CellCS - a corrente através dela é igual à corrente de carga, a resistência é 5mOhm, perdas:



CHGRCS - a corrente através é igual à corrente de carga, resistência 10mOhm, perdas:



CHGFET e DSGFET - corrente através deles é igual à corrente de carga, resistência 5mOhm, perdas totais:



ACFET - a corrente através dele é igual à corrente de entrada (tome a corrente de entrada máxima possível 3,5A é o máximo que uma memória normal de laptop pode emitir), resistência 5mOhm, perdas:



Aqui você pode adicionar perdas na resistência dos fios da placa de célula et Também rastreia o próprio quadro. Eu os calculei medindo a queda de tensão em uma corrente no circuito da bateria de 4A, era 36mV, o que corresponde à potência:



BuckInductor - as perdas no acelerador podem ser divididas em 2 componentes:

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

As perdas totais de carga total nos componentes estáticos são:



Para obter perdas totais de carga, é necessário estimar as perdas nos transistores HighSideFET e LowSideFET. O apnot AN-6005 de fairchildsemi me ajudou com isso . Em resumo, na guia ControllerDriver, adicione nosso controlador ao banco de dados e insira os parâmetros necessários na tabela:



Pegamos os dados da documentação para BQ40Z60 . Em seguida, preencha a tabela com os parâmetros dos transistores HighSideFET e LowSideFET na guia MOSFETDatabase:



Também coletamos dados da documentação para transistores. Eu experimentei muitos transistores (vistos da base) porque a frequência de conversão em 1 MHz é bastante alta. De todos os transistores que eu consegui obter rapidamente, o CSD17308 da TI acabou sendo o melhor. No entanto, esses são apenas os transistores recomendados da baleia BQ40Z60EVM . Os melhores cálculos foram transistores eGaN da EPC (Efficient Power Conversion), mas o preço de 500r, um mês de espera e um caso específico foram usados ​​contra ele. Mais alguns comentários da guia MOSFETDatabase: A

coluna da direita - Fig.Merit (Figura de mérito - Índice de qualidade) é o produto de Rds_on e a taxa do obturador Qgsw. Em geral, quanto menor o Fig.Merit, melhor o transistor, mas você precisa entender que esse é um indicador bastante empírico.

Na guia EfficiencySummary, selecione o controlador, os transistores usados ​​e seu número, defina os parâmetros de origem e clique no botão Executar.



Para uma corrente de carga de 4A e uma tensão de entrada de 19V, as perdas serão de 1,17W. Perdas totais:



Após montar o layout, medi o circuito de carga com os mesmos parâmetros que nos cálculos estimados: a



eficiência do circuito é de 97,1%, enquanto a perda de potência foi de 1,908W nos 2,07W calculados. Bem, ficou muito próximo para estimar a perda. Um termograma de um dispositivo de trabalho é mostrado na figura.



Temperatura ambiente 23 graus, placa sem caixa. 58 graus no ponto mais quente (superaquecimento é 58-23 = 35 graus) com uma película de 18 μm, este é um indicador muito bom. O acelerador ao mesmo tempo aqueceu até 40 - provavelmente é aquecido por transistores. O próprio controlador aqueceu até 52 graus.

Agora, passamos a estimar a eficiência do sistema durante a descarga. Desde o início, avaliaremos as perdas no próprio conversor. Para fazer isso, compilamos uma lista de elementos que afetam diretamente a eficiência:



A é o transistor superior do braço inferior do conversor LTC3780.
B - braço inferior do transistor inferior.
C é o transistor inferior do ombro crescente.
D é o transistor superior do ombro crescente.
L - acelerador.
RS é o resistor do sensor de corrente.

E, claro, o consumo do próprio controlador LTC3780. Não vou me debruçar sobre a operação do microcircuito em detalhes; só posso dizer que ele realmente representa um conversor de redução após um conversor de elevação com um indutor comum. Dependendo das tensões de entrada e saída, uma parte ou a segunda ou ambas funcionam (com igualdade aproximada das tensões de entrada e saída).

Para calcular a eficiência do conversor, usaremos os seguintes parâmetros:



Vamos concordar que um laptop sempre consome ao máximo. Na realidade, isso é quase verdade, porque ao conectar uma fonte externa, além de energia, ela também consome energia para carregar a bateria interna e, em geral, se houver energia externa, não recusa o consumo. As tensões correspondem à tensão nominal das células - 3,7V e baixa - 3,3V. É importante observar que o conversor no dispositivo atual sempre funciona no modo de reforço (a tensão de entrada nunca excede a tensão de saída), mas isso não significa que os transistores A e B não comutam. Para carregar o capacitor de autoinicialização, desligue brevemente o transistor A e ligue B (o mesmo acontecerá ao operar em um modo inferior para os transistores C e D). Para o LTC3780, isso acontece com uma frequência de 40kHz.

Para estimar as perdas, usamos o arquivo xls para LTC3780 do pacote LTpowerCAD2. O princípio de operação é semelhante ao trabalho anterior com xls para o BQ40Z60. Entramos todos os valores da tensão e corrente de saída, tensão de entrada, frequência de conversão desejada, parâmetros dos transistores principais (decidi usar o CSD17308 como na memória). O indutor foi selecionado IHLP5050EZER3R3M01, que possui um DCR típico = 7,7mOhm. Para 3.5A, a indutância é pequena, porque quando comprei componentes, eu estava contando com uma corrente de saída de 4.5A. Para a configuração atual, o IHLP5050EZER4R7M01 com um DCR típico = 12,8 mOhm seria uma opção ideal. Sensor de corrente - resistor do tamanho 2512 com resistência de 5mOhm.

Depois de inserir todos os dados nos campos Quebra de perda de energia e eficiência estimada do MOSFET, haverá gráficos de pizza da distribuição de perdas de componentes e estimativa de eficiência para a tensão de entrada / saída especificada e a corrente de carga.



A estimativa de eficiência é muito otimista - 98,79% a uma tensão de entrada de 14,8V e 98,51% a 13,2V (números excluindo perdas no núcleo do indutor). Os principais elementos nos quais ocorrem perdas são o indutor / sensor de corrente (23%), o transistor A (25%) e D (38% do total de perdas).

É hora de medir a eficiência real.



A eficiência medida é 96,93% a uma tensão de entrada de 14,8V e 96,35% a 13,2V. Vamos analisar os dados obtidos. Para fazer isso, traduzimos a porcentagem de eficiência na perda de energia:



Nesse caso, a discrepância é mais significativa em comparação com a estimativa de perdas no conversor de memória e atinge 1,48W. Mas se levarmos em conta as perdas no núcleo do indutor (que não podem ser negligenciadas com uma indutância não otimamente selecionada), a imagem não será tão deprimente.

Vamos estimar a eficiência média (em 13,2V) do PowerBank na descarga. Consiste na eficiência do próprio conversor, bem como:

CellCS - a corrente através dele é igual à corrente de entrada do conversor, a resistência é de 5mOhm, as perdas:



CHGFET e DSGFET - a corrente através deles é igual à corrente de entrada do conversor, a resistência é de 5mOhm, o total de perdas:



Então a eficiência do PowerBank durante a descarga:



Termograma o conversor com uma tensão de entrada de 14,4 V e uma corrente de saída de 3,5 A é mostrado abaixo:



O transistor C acabou sendo o ponto mais quente, mas seu aquecimento (em um ambiente de 21 graus) era de apenas 41,1 graus após 30 minutos de operação. É claro que, no caso, esses números serão maiores, mas a reserva de superaquecimento é enorme.

E, concluindo a primeira parte do artigo, quero dizer que o trabalho foi feito muito e, na segunda parte, veremos as variações de hardware e software ao iniciar o layout, configurando o BQ40Z60 e o software para STM32F0. Espero que tenha sido interessante.

PS: O arquivo com o rascunho e o código-fonte será publicado nas seguintes partes do artigo.
O PPS percebeu que esqueceu quase a coisa mais importante para esta parte do artigo - uma foto do layout. Corrigir

No quadro, você pode ver vestígios de correções, bem como vestígios de uso aberto em uma mochila (faixas queimadas na área em que a bateria está conectada). O layout certamente não é o mais elegante, mas mesmo assim é possível usá-lo.

Source: https://habr.com/ru/post/pt386099/