Dla większości projektantów wbudowany moduł PCM to po prostu jedna z licznych cech akumulatora litowego. Praktycy rzadko zastanawiają się nad tym, jak dokładnie działa zintegrowany układ zabezpieczający, a o jego istnieniu przypominają sobie dopiero w razie awarii. Jeżeli chcemy świadomie projektować podsystemy zasilania, warto przyjrzeć się z bliska budowie i działaniu modułów PCM, bowiem taka wiedza może okazać się niezastąpiona także podczas diagnozowania przyczyn „dziwnych” zachowań przetwornic DC/DC i innych obwodów współpracujących z akumulatorem.
Budowa modułu PCM
Jednym z najpopularniejszych na rynku scalonych kontrolerów PCM, stosowanych z ogniwami Li-Po oraz niektórymi modelami ogniw Li-Ion (np. AKY2457/
INR18650-20M-PCM), jest układ DW01A.
Układ jest produkowany w miniaturowej obudowie typu SOT23-6 i obsługuje parę zewnętrznych tranzystorów N-MOSFET, podłączonych bramkami bezpośrednio do wyjść DOUT (Discharge output) i COUT (Charge output), a pracujących jako klucze od strony masy (low-side). Wyjścia te zarządzają, odpowiednio, stanami rozładowania i ładowania ogniwa. Cały układ jest zasilany prądem pobieranym z akumulatora przez szeregowy rezystor R1, który nie tylko zabezpiecza przed skutkami ewentualnych awarii (zwarć) w module PCM, ale także – wraz z kondensatorem C1 – zapewnia podstawową filtrację dolnoprzepustową napięcia VDD.
Budowa kontrolera DW01A wydaje się dość prosta. Napięcie ogniwa jest monitorowane za pomocą dwóch wejściowych dzielników napięcia, współpracujących z komparatorami odniesionymi do wspólnego źródła napięciowego. Osobny zestaw trzech komparatorów monitoruje wejście VM w celu detekcji podłączenia ładowarki oraz wykrywania przeciążeń i zwarć. Ponadto w układzie znalazł się blok wewnętrznego oscylatora odpowiedzialny za generowanie opóźnień oraz oczywiście sterownik współpracujący z bramkami zewnętrznych tranzystorów MOSFET.
Ciekawe rozwiązanie stanowi obwód monitorowania natężenia prądu. Pin VM, połączony przez rezystor R2 z zaciskiem P-, umożliwia pomiar jego potencjału względem linii VSS (która stanowi „wewnętrzną” masę modułu PCM i jest podłączona bezpośrednio do ujemnego bieguna ogniwa). Podczas rozładowania różnica ta odpowiada przede wszystkim spadkowi napięcia na szeregowo połączonych tranzystorach MOSFET.
zględem linii VSS, która . Spadek napięcia na szeregowo połączonych obwodach dren-źródło obydwu tranzystorów można zatem porównać niejako do spadku na boczniku. O ile nie jest to rozwiązanie wybitnie dokładne (napięcie zależy wszak od rezystancji RDS(on) tranzystorów) to – przy odpowiednio stabilnej produkcji – pozwala uzyskać w miarę powtarzalne rezultaty, oczywiście z pewną nieuniknioną tolerancją, wynikającą z rozrzutów parametrów zastosowanych MOSFETów.
Sprzętowa maszyna stanów
Jak już wiemy, sterownik DW01A jest raczej prostym układem analogowo-cyfrowym. Jego struktura realizuje jednak dość złożony algorytm maszyny stanów, w której przejścia pomiędzy poszczególnymi stanami bazują na detekcji określonych stanów zabronionych (np. zwarcia) i – w części przypadków – pomiarze czasu trwania tychże stanów.
W stanie normalnym (zielony blok na poniższym diagramie) bramki obydwu tranzystorów pozostają wysterowane napięciem zbliżonym do napięcia ogniwa, zatem cały układ PCM pozostaje niejako przezroczysty zarówno dla obciążenia, jak i zewnętrznej ładowarki.
Wystąpienie któregokolwiek ze stanów awaryjnych związanych z rozładowaniem akumulatora (może to być przeciążenie, zwarcie lub nadmierny spadek napięcia ogniwa) powoduje wyłączenie tranzystora Q2 sterowanego przez wyjście DOUT. Na diagramie stany te oznaczono czerwoną obwódką. Zaistnienie któregokolwiek z opisanych zagrożeń powoduje, że obwód zostaje rozłączony, co chroni akumulator przed dalszą utratą energii. Ponadto, gdy układ pozostaje w stanie zabezpieczenia przed nadmiernym rozładowaniem, realizowana jest także funkcja detekcji ładowarki – rozpoczęcie i utrzymanie procesu ładowania powoduje, że układ po chwili wraca do stanu normalnego, załączając z powrotem Q2.
Szczególnym rodzajem zagrożenia jest podanie na zaciski wyjściowe modułu PCM zbyt wysokiego napięcia, które mogłoby spowodować przeładowanie i uszkodzenie akumulatora. Podczas ładowania kontroler monitoruje zatem napięcie ogniwa pomiędzy VDD i VSS. Jeżeli przekroczy ono próg ochrony przed przeładowaniem, wynoszący w analizowanej wersji DW01A 4,3 V +/-50 mV, wyjście COUT wyłącza tranzystor Q1 i przerywa przepływ prądu ładowania.
DPDW01 – ulepszona wersja DW01A
Skrupulatna analiza dokumentacji opisanej wersji DW01A firmy Slkor pokazuje, że układ wykrywa nadmierny prąd i zwarcie podczas rozładowywania, ale nie zapewnia osobnego zabezpieczenia przed nadmiernym prądem ładowania. Trzeba przy tym zaznaczyć, że oznaczenie DW01A jest używane przez wielu producentów, a poszczególne implementacje mogą różnić się zakresem realizowanych funkcji.
Problem ten rozwiązuje bliźniaczy układ DPDW01, który znalazł zastosowanie w ogniwach litowo-polimerowych marki Akyga Battery. W tym przypadku bowiem spadek napięcia na tranzystorach MOSFET (mierzony za pośrednictwem wejścia VM) jest monitorowany dwukierunkowo, tj. zarówno w stanie rozładowania (napięcie dodatnie względem VSS), jak i podczas ładowania (napięcie ujemne względem VSS). Takie rozwiązanie pozwala dodatkowo zabezpieczyć ogniwo przed sytuacjami, w których wprawdzie napięcie ładowania mieści się w bezpiecznym przedziale, ale z jakichś względów prąd pozostaje zbyt wysoki. Oprócz nieco innej budowy, poszczególne układy różnią się także pod względem określonych parametrów – przykładowo typowy próg zadziałania ochrony przed przeładowaniem wynosi 4,3 V dla układu DW01A, zaś 4,28 V w przypadku DPDW01.
Praktyczne testy
Aby lepiej zobrazować działanie zabezpieczenia, wykonaliśmy pomiary modułu PCM wymontowanego z akumulatora litowo-polimerowego typu AKY1890 marki Akyga Battery. Moduł bazuje na układzie DPDW01. Ogniwo zasymulowano za pomocą zasilacza laboratoryjnego ustawionego na napięcie wyjściowe 3,9 V, połączonego z szeregową rezystancją 0,1 Ω. Prąd wyjściowy mierzono czujnikiem ACS723 o czułości 200 mV/A. Poszczególne kanały oscyloskopu monitorowały:
- CH1: napięcie zasilania modułu PCM (VDD-VSS), odpowiadające w normalnych warunkach pracy napięciu ogniwa,
- CH2: sygnał wyjściowy czujnika prądu,
- CH3: sygnał na wyjściu DOUT,
- CH4: sygnał na wyjściu COUT.
Dla ułatwienia zastosowaliśmy dostępną w oscyloskopie funkcję automatycznego przeliczania napięcia na natężenie prądu według zadanej skali.
Test zabezpieczenia nadnapięciowego
Aby sprawdzić działanie zabezpieczenia nadnapięciowego, dołączyliśmy zaciski P+ i P- modułu do drugiego kanału zasilacza (tym razem ustawionego na napięcie 4,4 V) za pomocą przełącznika monostabilnego, a następnie odłączyliśmy go po około 1 sekundzie. Moduł zareagował w ciągu 110 ms, wyłączając tranzystor Q1 poprzez zmianę stanu wyprowadzenia COUT. Odłączenie „ładowarki” spowodowało niemal natychmiastowy powrót do stanu normalnego.
Test zabezpieczenia przed nadmiernym rozładowaniem
Napięcie zasilacza symulującego akumulator zmniejszaliśmy stopniowo od wartości 3,9 V aż do około 2,1 V, po czym stopniowo zwiększaliśmy z powrotem powyżej 3,0 V. Przez cały czas wyjście PCM było podłączone do obciążenia elektronicznego ustawionego w tryb stałej rezystancji równej 2 Ω. Po osiągnięciu progu zadziałania ochrony przed nadmiernym rozładowaniem, wyjście DOUT zostało zwarte z masą, przez co wyłączeniu uległ tranzystor Q2. Na oscylogramie wyraźnie widać natychmiastowe odcięcie obciążenia i spadek wartości prądu do zera (z uwagi na offset napięcia wyjściowego czujnika prądu, krzywa kanału CH2 została specjalnie ustawiona tak, by zerowej wartości prądu odpowiadała pozioma linia pokrywająca się ze środkową linią siatki ekranu). Dopiero po osiągnięciu odpowiednio wysokiego napięcia na pinie VDD połączenie zostało przywrócone.
Testy obciążeniowe
Za pomocą przełącznika monostabilnego dołączaliśmy do wyjścia PCM obciążenie w postaci różnych kombinacji szeregowo-równoległych rezystorów dużej mocy, testując w ten sposób zachowanie modułu pod rosnącym obciążeniem.
Obciążenie rezystancją 2,0 Ω
Obciążenie rezystancją 1,5 Ω
Obciążenie rezystancją 1 Ω
Obciążenie rezystancją 0,7 Ω
Przy obciążeniu rezystancją o wartości około 700 mΩ zadziałała funkcja ochrony przeciwprzeciążenieniowej. Czas reakcji, mierzony od momentu załączenia obciążenia aż do wyłączenia tranzystora Q2, wyniósł 29 ms. Szczytowa wartość prądu to 3,5 A.
Obciążenie rezystancjami 0,6 Ω, 0,5 Ω oraz 0,1 Ω
Kolejny test wykonaliśmy, zmniejszając nieznacznie rezystancję (o zaledwie 100 mΩ). Tym razem czas reakcji wyniósł już zaledwie 11,5 ms, przy wartości prądu dochodzącej do 3,83 A.
Dalsze zmniejszanie rezystancji do 500 mΩ, a następnie 100 mΩ nie skróciło zmierzonego czasu reakcji, który w obu przypadkach pozostał zbliżony do wartości uzyskanej przy 600 mΩ.
Podsumowanie
Artykuł stanowi szczegółowe opracowanie na temat budowy i działania modułów PCM. Pomiary przeprowadzone w naszym laboratorium potwierdzają skuteczność działania niewielkiej płytki z układem DPDW01 w roli ochrony ogniwa przed najważniejszymi trybami awarii, jakie mogą wystąpić w urządzeniu zasilanym akumulatorem litowo-polimerowym bądź litowo-jonowym. Co ważne, nie należy arbitralnie traktować wszystkich modułów PCM w taki sam sposób, gdyż nawet pozornie identyczne układy (np. DW01A i DPDW01) mogą różnić się zarówno pod względem wartości poszczególnych parametrów, jak i zakresu oferowanej ochrony.
Sponsorem artykułu jest marka Akyga Battery
Akyga Battery to linia produktowa marki Akyga Components, oferująca praktyczne rozwiązania zasilania dla elektroniki użytkowej i przemysłowej. Baterie pierwotne oraz akumulatory Akyga projektowane są z myślą o stabilnej pracy i niezawodnym dostarczaniu energii w urządzeniach takich jak czujniki, piloty czy sprzęt przenośny. Więcej informacji można znaleźć na stronie: akygabattery.com
