IoT

Как уменьшить размер и снизить температуру IoT-устройств

Новый подход компании Maxim Integrated к реализации схемы питания портативных устройств интернета вещей, основанный на микросхеме управления питанием MAX77818, позволяет продлить срок службы батареи, увеличить КПД заряда и снизить тепловыделение
581
В избранное

Новый подход компании Maxim Integrated к реализации схемы питания портативных устройств интернета вещей, основанный на микросхеме управления питанием MAX77818, позволяет продлить срок службы батареи, увеличить КПД заряда и снизить тепловыделение.

Микросхемы  заряда и измерения уровня остаточного заряда – это сердце системы управления аккумулятором. Они являются необходимой частью всех мобильных устройств и IoT-гаджетов. В то время как размеры устройств данного типа постоянно уменьшаются, сложность их разработки возрастает.  Для ускорения заряда батареи при минимальном тепловыделении требуется высокоэффективный процесс заряда большим током при высоком входном напряжении.

Типовая реализация схемы питания

Классическая система заряда и измерения уровня батареи приведена на рисунке 1. Помимо зарядного устройства и измерителя уровня заряда система содержит два защитных линейных регулятора (SFLDO), подающих питание на USB-интерфейс. Для упрощения схемы пассивные компоненты не изображены.

Типовая блок-схема заряда и измерения уровня заряда батареи

Рис. 1. Типовая блок-схема заряда и измерения уровня заряда батареи

Все активные и пассивные компоненты системы, приведенной на рисунке 1, показаны в решении, изображенном на рисунке 2.

Расположение компонентов типовой схемы заряда и измерения уровня остаточного заряда аккумулятора

Рис. 2. Расположение компонентов типовой схемы заряда и измерения уровня остаточного заряда аккумулятора

Катушка индуктивности номиналом 1,5 мкГн на 3,5 А (в корпусе 2520) и два LDO-регулятора наиболее проблеммный с точки зрения занимаемого на плате места. В целом такое решение занимает площадь примерно 55 мм2.

Интегрированное решение

Микросхема управления питанием MAX77818 (импульсная микросхема заряда с измерителем уровня остаточного заряда и двойным входом на 3 А), показанная на рисунке 3, представляет собой решение, в котором узлы заряда и измерения уровня остаточного заряда, а также линейные регуляторы  (LDO) объединены в одном корпусе. Это позволяет устранить необходимость использования дополнительных внешних компонентов и снизить общий размер решения. Другим дополнительным преимуществом данного решения является использование дросселя на 3,5 А с меньшей индуктивностью (0,47 мкГн) в корпусе меньшего типоразмера (2016).

Высокоинтегрированная микросхема заряда и измерения уровня остаточного заряда

Рис. 3. Высокоинтегрированная микросхема заряда и измерения уровня остаточного заряда

Все активные и пассивные компоненты системы, приведенной на рисунке 3, и их взаимное расположение изображены на рисунке 4.

Расположение элементов высокоинтегрированной системы заряда и измерения уровня остаточного заряда

Рис. 4. Расположение элементов высокоинтегрированной системы заряда и измерения уровня остаточного заряда

Общая площадь компонентов на плате для данного решения составляет 37 мм2, что на 33% ниже в сравнении с типовым. Помимо прочего, MAX77818 потребляет всего 20 мкА от общего тока собственного потребления системы. Это обстоятельство значительно продлевает время автономной работы от батареи, что позволяет либо использовать батарею меньшего размера, либо увеличить время использования устройства между зарядками.

Повышение эффективности при снижении размера

Сравнение КПД MAX77818 с конкурирующим решением (от входа CHGIN до выхода BATT) приведено на рисунке 5. Для корректности сравнения в обоих схемах была установлена катушка индуктивностью 1 мкГн в корпусе 2520. Интегрированное решение демонстрирует повышенный КПД практически во всем диапазоне выходного тока даже при работе на более высокой частоте. При полной нагрузке (3,5 А) КПД решения на MAX77818 приблизительно равен 88%, в то время как конкурентное решение показывает результат ниже как минимум на 2%.

График сравнения КПД MAX77818 и конкурирующего решения

Рис. 5. График сравнения КПД MAX77818 и конкурирующего решения

Даже при использовании дросселя большего типоразмера 2520, решение на MAX77818 получается на 30% меньше по габаритам, чем конкурирующее решение.

MAX77818 – интегрированное устройство заряда и измерения уровня остаточного заряда

Импульсное зарядное устройство MAX77818 разработано с использованием специального алгоритма управления, который регулирует ток, напряжение и температуру кристалла. Алгоритм Model-Gauge (m5) позволяет измерить заряд батареи с максимально возможной точностью, потребляя при этом от самой батареи экстремально низкий ток.

Перед началом работы в зарядное устройство должен быть загружен специальный INI-файл с заводской характеристикой используемого аккумулятора. Компания Maxim разработала обширную базу данных с характеристиками аккумуляторов и моделями их поведения для разных типов конечных устройств и при различных условиях эксплуатации. Это позволило компании сформировать начальный конфигурационный файл, который отлично работает с аккумулятором в устройстве до тех пор, пока не будет сгенерирован более специфичный для конкретного аккумулятора файл для достижения наивысшей точности работы. Для изучения всех условий предоставления файлов характеристик аккумулятора следует обратиться к дистрибьюторам компании Maxim Integrated.

Дополнительные преимущества интеграции

Микросхема заряда и измерения уровня остаточного заряда способна измерять температуру, что позволяет реализовать процесс в  соответствии с правильным профилем заряда для конкретного типа аккумулятора. Обычно такая возможность отсутствует у простых зарядных микросхем. Однако протокол японской ассоциации электроники и информационных технологий JEITA, описывающий процесс заряда в зависимости от температуры, уже стал стандартом для литий-ионных аккумуляторов. Например, для управления током  и напряжением заряда в зависимости от температуры (для уменьшения тока заряда при низких температурах) зарядному устройству необходим встроенный датчик температуры или внешний процессор, предоставляющий информацию о температуре. Высокая интеграция MAX77818 позволяет измерителю уровня и зарядному устройству получать данные о температуре, что является важной функцией при активации режима JEITA.

Интеграция позволяет сократить расход кремния и отказаться от использования термисторов. Наконец, при расположении узлов измерителя уровня и зарядного устройства  в одном корпусе меньше вероятность возникновения трудностей при трассировке печатной платы.

Заключение

Мы рассмотрели несовершенство типовой схемы реализации заряда и измерения уровня остаточного заряда аккумулятора, а также познакомились с новым высокоинтегрированным решением. Новый подход, по сравнению с альтернативной реализацией, при полном выходном токе дает преимущество по КПД более чем в 2% и на 33% снижает область требуемого на печатной плате места, что позволяет продлить время использования батареи и снизить габариты устройства.

 

Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX1725EUK-T
MAX1725EUK-T
Maxim Integrated
Арт.: 35531 PDF AN RD
Доступно: 536 шт.
Выбрать
условия
поставки
LDO, REGULATOR, 12VIN, ADJ, 5SOT23
MAX1725EUK-T от 6 шт. от 281,43
536 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX1724EZK33+T
MAX1724EZK33+T
Maxim Integrated
Арт.: 173469 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 702 шт. от: 140 руб.
DC DC CONV, STEP UP, 3.3V, SOT235; Voltage Regulator Type:Step Up (Boost); Voltage, Input Max:5.5V; Voltage, Output Max:3.3V; Current, Output Max:0.15A; Accuracy, Percentage:1%; Voltage, Supply Min:0.8V; Voltage, Supply Max:5.5V; Termination Type:SMD; Case Style:SOT-23; Pins, No.…
MAX1724EZK33+T 140,00 от 28 шт. 120,00 от 62 шт. 108,00 от 134 шт. 100,00 от 351 шт. 95,00
702 шт.
(на складе)
MAX1724EZK50+T
MAX1724EZK50+T
Maxim Integrated
Арт.: 174282 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 207 шт. от: 256 руб.
DC DC CONV, STEP UP, 5V, SOT23-5; Voltage Regulator Type:Step Up (Boost); Voltage, Input Max:5.5V; Voltage, Output Max:5V; Current, Output Max:0.15A; Accuracy, Percentage:1%; Voltage, Supply Min:0.8V; Voltage, Supply Max:5.5V; Termination Type:SMD; Case Style:SOT-23; Pins, No.…
MAX1724EZK50+T 256,00 от 16 шт. 219,00 от 34 шт. 197,00 от 74 шт. 183,00 от 193 шт. 174,00
28 шт.
(на складе)
179 шт.
(под заказ)
MAX1725EUK+T
MAX1725EUK+T
Maxim Integrated
Арт.: 352884 PDF AN RD
Доступно: 247 шт.
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 12V Ultra-Low-IQ
MAX1725EUK+T от 5 шт. от 303,83
247 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX1726EUK50+T
MAX1726EUK50+T
Maxim Integrated
Арт.: 460316 PDF AN RD
Доступно: 150 шт.
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 12V Ultra-Low-IQ
MAX1726EUK50+T от 4 шт. от 447,52
150 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX77818EWZ+T
MAX77818EWZ+T
Maxim Integrated
Арт.: 1893670 ИНФО PDF RD DT
Доступно: 190 шт.
Выбрать
условия
поставки
PMIC FOR SMART PHONE
MAX77818EWZ+T от 3 шт. от 679,27
190 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX17055ETB+
MAX17055ETB+
Maxim Integrated
Арт.: 2278104 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 83 шт. от: 192 руб.
Измеритель праметров батареи
MAX17055ETB+ 192,00 от 21 шт. 165,00 от 45 шт. 148,00 от 98 шт. 137,00 от 256 шт. 131,00
83 шт.
(на складе)
MAX17222ELT+
MAX17222ELT+
Maxim Integrated
Арт.: 2286387 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 79 шт. от: 196 руб.
Switching Voltage Regulators Boost Converter 0.9V to 5V
MAX17222ELT+ 196,00 от 20 шт. 168,00 от 45 шт. 152,00 от 96 шт. 140,00 от 251 шт. 133,00
79 шт.
(на складе)
MAX17055GEVKIT#
MAX17055GEVKIT#
Maxim Integrated
Арт.: 2288449 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 9 шт. от: 6860 руб.
Оценочный набор на основе микросхемы MAX17055 контроля уровня заряда Li-Ion батарей.
MAX17055GEVKIT# 6860,00 от 3 шт. 6360,00 от 6 шт. 6040,00 от 12 шт. 6010,00
2 шт.
(на складе)
7 шт.
(под заказ)
MAX17055ETB+T
MAX17055ETB+T
Maxim Integrated
Арт.: 2288592 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 168 шт.
Выбрать
условия
поставки
Измеритель праметров батареи
MAX17055ETB+T от 4 шт. от 398,02
168 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX17055EWL+T
MAX17055EWL+T
Maxim Integrated
Арт.: 2288593 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 178 шт.
Выбрать
условия
поставки
Измеритель праметров батареи
MAX17055EWL+T от 4 шт. от 377,60
178 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX17055XEVKIT#
MAX17055XEVKIT#
Maxim Integrated
Арт.: 2288594 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 9 шт.
Выбрать
условия
поставки
EVAL BOARD, LI-ION BATTERY CHARGER
MAX17055XEVKIT# от 1 шт. от 6975,10
9 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX17222ELT+T
MAX17222ELT+T
Maxim Integrated
Арт.: 2288595 PDF AN RD DT
Доступно: 149 шт.
Выбрать
условия
поставки
Switching Voltage Regulators 0.9V to 5V, 500mA Input Current Limit Ultra Low Power Boost Converter with True Shutdown
MAX17222ELT+T от 4 шт. от 449,53
149 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX17055EWL+
MAX17055EWL+
Maxim Integrated
Арт.: 2293016 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 132 шт.
Выбрать
условия
поставки
BATTERY FUEL GAUGE, LI-ION, WLP-9
MAX17055EWL+ от 4 шт. от 502,85
132 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX1722ELT+
MAX1722ELT+
Maxim Integrated
Арт.: 2336600 PDF AN RD
Доступно: 320 шт.
Выбрать
условия
поставки
Switching Voltage Regulators Step-up DC/DC Converter
MAX1722ELT+ от 8 шт. от 209,78
320 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX17220ENT+T
MAX17220ENT+T
Maxim Integrated
Арт.: 2549373 PDF AN RD
Доступно: 273 шт.
Выбрать
условия
поставки
Switching Voltage Regulators 0.9V to 5V, 500mA Input Current Limit Ultra Low Power Boost Converter with True Shutdown
MAX17220ENT+T от 7 шт. от 245,73
273 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX77812EVKIT#
MAX77812EVKIT#
Maxim Integrated
Арт.: 2643168 ИНФО PDF
Доступно: 8 шт.
Выбрать
условия
поставки
EVAL BOARD, QUAD-PHASE BUCK REGULATOR
MAX77812EVKIT# от 1 шт. от 8137,62
8 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX77816AEWP+T
MAX77816AEWP+T
Maxim Integrated
Арт.: 2643169 ИНФО PDF
Доступно: 186 шт.
Выбрать
условия
поставки
Switching Voltage Regulators High-Efficiency Buck-Boost Regulator
MAX77816AEWP+T от 25 шт. от 358,69
186 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX77816EVKIT#
MAX77816EVKIT#
Maxim Integrated
Арт.: 2643170 ИНФО PDF
Доступно: 7 шт.
Выбрать
условия
поставки
EVAL BOARD, BUCK-BOOST REGULATOR
MAX77816EVKIT# от 1 шт. от 8718,88
7 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()