Конягин Алексей, Учебный центр "Эксперт"
автор и преподаватель курса "Ремонт ноутбуков и нетбуков"
Продолжаем знакомить наших читателей со схемотехникой зарядных устройств ноутбуков.
Первая часть статьи
Цепь питания Charger'а
Про цепь питания долго говорить не придется, так как в этих цепях ничего особенного и интересного нет. Питающее напряжение Charger-контроллеров обычно находится в диапазоне 7...28 Вольт. Но, как мы понимаем, в реальных схемах в качестве питающего используется напряжение сетевого адаптера +19V. Это напряжение подается на вход, обозначаемый обычно DCIN. Для фильтрации питающего напряжения, между входом DCIN и «землей» устанавливается конденсатор емкостью от единиц до нескольких десятков микрофарад (рис.1).
Рис.1 Типовая конфигурация цепи питаняи Charger-контроллера ноутбука
В цепи питания Charger'а очень часто устанавливается токоограничивающий резистор, номиналом примерно 10...20 Ом. Кроме того, в целом ряде практических схем применяются диоды, предотвращающие протекание обратного тока через микросхему Charger'а в ситуации, когда будет перепутана полярность питающего напряжения.
Напряжение, прикладываемое к контакту DCIN, подается на внутренний линейный регулятор напряжения (LDO), который необходим для формирования питающего низковольтного напряжения для всех элементов микросхемы Charger'а. На выходе LDO формируется такое напряжение, которое определил разработчик микросхемы. Это может быть 3.3V(как в BQ24745), это может быть 5V (как в ISL6255), это может быть 5.4V (как в MAX1909). Во многих контроллерах это стабилизированное низковольтное напряжение выводится на один из выходных контактов, обозначаемых, чаще всего, LDO (в микросхемах ISL625x этот контакт принято обозначать VDD).
Целый ряд Charger'ов кроме LDO имеют в своем составе еще и источник опорного напряжения, которое также может выводиться на один из контактов микросхемы. Подобный контакт будет иметь наименование REF или VREF. Величина такого опорного напряжения может быть любой, и это следует уточнять в описании на микросхему Charger-контроллера. В качестве примера применения в микросхеме как интегрального LDO, так и дополнительного источника опорного напряжения, можно привести MAX1909 (рис.2)
Рис.2 В состав Charger-контроллера может быть интегрирован, как линейный стабилизатор, так и источник опорного напряжения
Особенностью интегрированных источников питания является то, что для их запуска, как правило, не требуется никаких управляющих сигналов. Они начинают функционировать сразу же, как только на входе DCIN появляется номинальное напряжение. Именно эта особенность может быть положена в основу диагностики микросхемы Charger'а. Для такой диагностики потребуется только лишь вольтметр, с помощью которого следует сделать два-три измерения напряжений. Нужно только знать цоколевку микросхемы. Отсутствие необходимых напряжений, или их несоответствие номиналам, явно указывает на неисправность Charger-контроллера.
Но, все-таки, алгоритм запуска LDO и/или источника опорного напряжения следует уточнять в описании микросхемы. Имеются такие Charger'ы, в которых LDO-регуляторы запускаются только при наличии сигнала детектора сетевого адаптера ACIN. В качестве такого примера можно назвать BQ24727.
Выбор источника питания системы
Напомним, что ноутбук может работать, либо от аккумуляторной батареи, либо от сети (через сетевой адаптер). Функцией зарядного устройства, кроме прочих, является выбор источника энергии для формирования, так называемого системного напряжения, часто обозначаемого VDC. И логика выбора здесь очень простая:
- если ноутбук подключен к питающей сети, то именно этот источник энергии и следует выбрать, отключившись от аккумулятора;
- если же питающая сеть не обнаружена, то необходимо перейти на питание от внутреннего аккумулятора ноутбука.
Рис.3 Схема выбора источника питания в ноутбуке
Классическим решением для обеспечения этой функции является использование двух ключей, работающих инверсно друг относительно друга (рис.3). Открывание ключа Q1 должно автоматически приводить к закрыванию Q2 , и наоборот. Управление этими ключами, естественно, возложено на микросхему Charger-контроллера.
Рассмотрим, как эта функция реализована в контроллере, входящем в семейство MAX1909 / MAX8725. Схему выбора источника питания на основе такого контроллера мы представили на рис.4. В качестве ключей традиционно используются P-канальные полевые транзисторы, назовем их PDL и PDS. Транзистор PDL является ключом между нагрузкой (системой) и батареей. Транзистор PDS является ключом между сетевым напряжением и нагрузкой. Другие производители Charger'ов эти ключи и контакты, управляющие ключами, могут обозначать и по-другому, например:
- SGATE и BGATE (в ISL6255);
- ACFET и BATFET (в описаниях charger'ов BQ2474x)
- ACDRV и BATDRV и т.п.
Рис.4 Схема выбора источника питания, реализованная на контроллере MAX8725 / MA1909
Если на входе ноутбука детектируется наличие «сетевого» напряжения, например, +19V, то батарею необходимо изолировать от системной нагрузки, отключением транзистора PDL. При этом транзистор PDS, естественно, должен включиться, подав питание +19V в систему.
Если сетевой адаптер отсутствует, контроллер MAX1909 должен переключить транзисторы PDL и PDS в противоположные состояния, в результате чего в систему будет подано, например, +12V. При этом транзистор PDL открывается через 7.5 мкс после того, как закрывается PDS.
Внутренняя схема управления выходными сигналами PDS и PDL в контроллере MAX1909 представлена на рис.5. Анализ этой схемы показывает, что выбор между ключами PDL и PDS осуществляется путем сравнения входных сигналов BATT и DCIN.
Рис.5 Внутренняя архитектура цепи выбора источника питания контроллера MAX1909/MAX8725
Сигнал BATT является не чем иным, как напряжением аккумуляторной батареи. Уровень этого сигнала показывает, насколько заряжен аккумулятор, и какое выходное напряжение он способен поддерживать. Низкий уровень сигнала BATT говорит о том, что аккумулятор разряжен, а полное отсутствие этого сигнала говорит, либо об отключении аккумулятора, либо о его полной неисправности.
Сигнал DCIN, напомним, является входным питающим напряжением микросхемы Charger-контроллера. Это напряжение, фактически, берется от сетевого адаптера, и поэтому прямопропорционально величине +19V.
Итак, если разница в напряжениях DCIN и BATT становится менее 100 mV, контроллер должен закрыть транзистор PDS и открыть транзистор PDL. Дело в том, что малая разница между этими сигналами говорит о значительном снижении напряжения сетевого адаптера, т.е. говорит о его отключении. Переключив ноутбук на питание от аккумулятора, Charger MAX1909 полностью выключается, чтобы не создавать лишнюю нагрузку для аккумулятора. При этом транзистор PDL необходимо удерживать в открытом состоянии. Для этого внутри контроллера имеется шунтирующий резистор номиналом 100 кОм, который и осуществляет «подсаживание» затвора транзистора PDL, обеспечивая его открытое состояние в следующих ситуациях:
- когда отсутствует напряжение сетевого адаптера;
- когда срабатывает тепловая защита батареи;
- когда Charger выключается управляющим контроллером ноутбука (южным мостом или контроллером EC/KBC).
Драйверы, формирующие сигналы PDS и PDL полностью интегрированы в микросхему. Положительное смещение, необходимое для запирания ключей, подается на эти драйверы через вывод, обозначаемый SRC. В реальных схемах на этот контакт подается системное напряжение VDC.
Несмотря на обязательность наличия транзисторов, выбирающих источник энергии, не все существующие Charger-контроллеры формируют сигналы управления этими ключами. Если контроллером не предусмотрено формирование сигналов, аналогичных рассмотренным выше PDS и PDL, управление транзисторами организуется внешними каскадами с помощью сигнала ACOK. Напомним, что ACOK является сигналом детектора сетевого питания, активизирующимся в тот момент времени, когда на входе ноутбука обнаруживается напряжение сетевого адаптера (VIN). Этот сигнал вполне можно «приспособить» для управления коммутирующими транзисторами.
В качестве примера такого Charger-контроллера, можно привести микросхему BQ24745. На выходе этого контроллера нет сигналов, аналогичных PDS и PDL. Имеется только сигнал ACOK. В качестве практического варианта применения этого контроллера на рис.6 приводим в сокращении часть схемы зарядного устройства ноутбука Dell Inspirion 15R (N5110).
Рис.6 Схема выбора источника питания ноутбука Dell Inspiron R15, реализованная на контроллере BQ24745
Для представленной схемы рассмотрим два состояния: отсутствие и наличие сетевого адаптера, формирующего напряжение +19V, которое на схеме означено AD+.
1) Когда сетевой адаптер не подключен, напряжение AD+ равно нулю. Питание осуществляется от аккумулятора, формирующего напряжение BT+, которое прикладывается к стоку транзистора PU4003. Через внутренний диод этого транзистора напряжение BT+, равное примерно +12V подается на исток PU4003. В результате, транзистор PU4003 открывается, т.к. напряжение его затвора (AD+=0V) становится меньше напряжения истока. Через открытый PU4003 напряжение аккумулятора BT+ начинает подаваться в систему (системное напряжение DCBATOUT). Это же напряжение DCBATOUT прикладывается и к истоку, и к затвору транзистора PU4002. При этом напряжения истока и затвора практически равны друг другу, т.к. транзистор PQ4001 закрыт. Все это обеспечивает закрытое состояние PU4002.
2) Когда к ноутбуку подключается сетевой адаптер, напряжение AD+ сразу же становится +19V. Это напряжение прикладывается к затвору транзистора PU4003. А так как на истоке этого транзистора установлено напряжение BT+, равное +12V, транзистор закрывается (напряжение затвора стало больше напряжения истока). Следует отметить, что через внутренний диод транзистора PU4002 напряжение AD+ прикладывается к истоку транзистора PU4002, в результате чего на истоке устанавливается 19V. Одновременно, на выходном контакте ACOK (конт.13) Charger-контроллера PU4001 формируется сигнал высокого уровня, которым открывается транзистор PQ4001. Открывание PQ4001 приводит к формированию на затворе транзистора PU4002 напряжения, меньшего, чем на его истоке. В результате, PU4002 открывается, и в систему подается напряжение DCBATOUT номиналом +19V.
При обсуждении ключей, осуществляющих выбор источника питания, следует обратить внимание на еще одно схемотехническое решение, которое часто реализуется в ноутбуках.
Управление ключами при калибровке батарей
Во многих ноутбуках реализована функция калибровки аккумуляторных батарей, позволяющая определить время, в течение которого батарея может поддерживать ноутбук в рабочем состоянии (так называемый RunTime). Цикл калибровки предполагает отключение батареи от зарядного устройства, и перевод ноутбука на работу от аккумулятора. При этом включается таймер, начинающий отсчет времени автономной работы ноутбука. Батарея, естественно, начинает разряжаться. Когда батарея полностью разрядится, зарядное устройство переключается в режим работы от сети и начинает заряд аккумулятора. При этом полученное время автономной работы фиксируется в специальном отчете.
Процесс калибровки предполагает соответствующее управление транзисторами PDS и PDL. Такое управление может быть реализовано разными способами, но наиболее продвинутые и функциональные Charger-контроллеры имеют встроенную логику проведения калибровки. Мы предлагаем рассмотреть данную функцию на примере контроллера MAX8725/MAX1909.
Функция калибровки в MAX8725 запускается установкой в низкий уровень сигнала MODE, который кроме этой функции позволяет еще задавать тип аккумуляторной батареи (3-элементная или 4-элементная). Подача на контакт MODE низкого уровня приостанавливает работу зарядного каскада, закрывает транзистор PDS и открывает транзистор PDL. Однако режим калибровки требует изменения конфигурации ключа PDS.
Рис.7 Конфигурация коммутирующих ключей зарядного устройства, поддерживающего функцию калибровки батарей
В схемах, предполагающих функцию калибровки, ключ PDS является двойным, т.е. он должен состоять из двух P-канальных транзисторов, у которых объединены истоки (рис.7). Оба транзистора должны открываться и закрываться одновременно, т.е. их затворы также должны быть объединены. Такое включение необходимо для того, чтобы предотвратить протекание тока от сетевого адаптера через внутренний диод MOSFET-транзистора.
Закрывание транзистора PDS (если он в схеме один) совсем не означает, что система не будет получать питание от сетевого адаптера. Так как напряжение аккумулятора ниже сетевого, диод транзистора PDS оказывается в открытом состоянии, и выдает в систему напряжение +19V (рис.8). В результате, эти 19 Вольт могут прикладываться к аккумулятору через открытый PDL. Короче, ничего хорошего из этого не получится.
Рис.8 При наличии сетевого адаптера ток протекает через внутренний диод транзистора PDS, если он один
Если обсуждать именно контроллеры MAX8725/MAX1909, то следует обратить внимание на то, что напряжение SRC (напряжение питания для драйверов PDS и PDL) должно браться с общей точки истоков двух транзисторов PDS. Такое решение гарантирует наличие питающего напряжения на SRC в любом возможном случае, а это в свою очередь, будет гарантировать надежное управление транзисторами.
Добавим еще несколько общих рассуждений на тему калибровки. Запуск калибровки должен сопровождаться особым предупреждением пользователя, т.к. эта процедура в обязательном порядке должна быть доведена до полного завершения. А именно, до окончания последующего заряда батареи после ее разряда. Если процедуру прервать до полного завершения зарада, то можно, в итоге, получить глубокий разряд аккумулятора, ведь даже выключенная система потребляет некоторое количество энергии. Если во время калибровки сетевой адаптер будет отключен, то микросхема MAX8725/MAX1909 оставит транзистор PDL в открытом состоянии. Если же, все-таки, калибровка была прервана, то необходимо в самые кратчайшие сроки подключить ноутбук к сети для заряда аккумулятора.
Если же во время калибровки была удалена батарея, то микросхема MAX8725/MAX1909 включает транзистор PDS и переводит ноутбук на питание от сетевого адаптера через 7.5 мкс после активизации сигнала отсутствия батареи.
Также следует отметить, что контроллер MAX1909 запрещает запуск калибровки, если батарея отсутствует, или если батарея глубоко разряжена.
Методики диагностирования Charger"ов на уровне сигналов и технологии компонентного ремонта - все это в учебном курсе "Профессиональный ремонт и обслуживание портативных компьютеров (ноутбуков и нетбуков)"
Ограничение входного тока
Одной из важнейших функций зарядного устройства является измерение тока, потребляемого системой от сетевого адаптера, а также управление этим током с целью его ограничения.
Ток, потребляемый ноутбуком от сетевого адаптера, расходуется на выполнение двух задач (рис.9):
- на питание системы;
- на заряд аккумулятора.
Рис.9 Ток сетевого адаптера распределяется между системой и аккумуляторной батареей
Естественно, что мощность сетевого адаптера для ноутбука должна быть рассчитана таким образом, чтобы соответствовать этим двум потребителям. Но при этом разработчики адаптера должны будут учесть самое «неблагоприятное» стечение обстоятельств, когда аккумуляторная батарея сильно разряжена, а поэтому ее заряд осуществляется увеличенным током, и в этот же момент времени вычислительная система ноутбука начинает выполнение сложной задачи, что приводит к резкому увеличению энергопотребления микропроцессора и памяти. В результате, сетевой адаптер должен быть изготовлен с учетом максимально возможной мощности потребления ноутбука. Это, конечно же, приведет к увеличению его стоимости и увеличению его габаритов, ведь большая мощность источника питания обеспечивается применением мощных, а, значит, дорогих и габаритных радиоэлементов.
В противном случае, при недостаточной мощности сетевого адаптера, мы получим нестабильно работающую систему, которая может зависнуть и перезагрузиться в любой момент времени.
Но возможен другой вариант решения данной проблемы. И заключается он в управлении мощностью потребителей. Смысл такого управления состоит в том, чтобы попытаться ограничить максимальный ток потребления от сетевого адаптера, т.е. не допустить такой ситуации, при которой и ток системы, и ток заряда аккумулятора являются максимальными. А реализовать это возможно только одним способом - ограничением какого-то из этих двух токов.
Приоритетом по энергопотреблению пользуется система, т.к. ограничение ее мощности будет приводить к снижению производительности и к неустойчивой работе. В то же самое время, заряд аккумулятора – процесс достаточно длительный, и некоторое снижение зарядного тока в редкие моменты времени, не скажется на работе батареи, по крайне мере, в заметной степени.
Получается, что если ток сетевого адаптера становится слишком большим (превышает заранее установленное пороговое значение), то начинается ограничение тока заряда батареи с целью стабилизации суммарного тока адаптера. Такое ограничение осуществляется пропорционально увеличению системного тока, вплоть до того, что ток зарядного устройства может уменьшиться до нуля (рис.10).
Рис.10 Возможные алгоритмы функционирования зарядного устройства с технологией Dynamic Power Management
Весь этот алгоритм управления реализован в рамках системы динамического управления питанием – Dynamic Power management – DPM. Поддержка DPM является встроенной функцией большинства современных микросхем Charger-контроллеров.
Реализация технологии DPM позволяет снизить пиковые токи сетевого адаптера, а поэтому при разработке и проектировании сетевого адаптера можно ориентироваться не на максимальное, а на среднее энергопотребление. Другими словами, технология DPM позволяет «сглаживать» пиковые потребления мощности, приводя их к среднему значению.
Для реализации функции DPM зарядное устройство должно быть оборудовано датчиком входного (полного) тока. В качестве такого датчика используется резистор с очень малым сопротивлением – обычно его номинал составляет 10...20 мОм. Падение напряжения на этом резисторе прямопропорционально току, потребляемому совместно системой и зарядным устройством (рис.11). Это падение напряжения измеряется Charger'ом. И если напряжение токового датчика превышает установленное значение, то Charger-контроллер прекращает управлять силовыми ключами зарядного устройства, полностью закрывая их, или начинает автоматически ограничивать ширину импульсов, управляющих транзисторами зарядного устройства.
Рис.11 Общая конфигурация системы контроля входного тока ноутбука
Реализация схем токового ограничения может весьма заметно отличаться в контроллерах разных производителей. Мы выделим два основных подхода к измерению тока Charger-контроллерами. При измерении и ограничении тока ключевым моментом является формирование опорного уровня, задающего максимальное значение тока, т.е. контроллеру необходимо указать тот порог, превышение которого недопустимо. Напряжение, снимаемое с токового датчика, сравнивается контроллером с этим опорным значением.
В настоящее время существует два варианта построения схемы контроля тока:
- аналоговая;
- цифровая.
Разумно предположить, что в настоящее время наблюдается тенденция к переходу на цифровое измерение тока адаптера. Разница между двумя этими подходами заключается в том, каким образом задается порог ограничения.
В первом случае, это осуществляется с помощью резистивных делителей, изменяющих уровень опорного сигнала на соответствующем входе контроллера. Этот вход является одним из контактов внутреннего компаратора Charger'а.
Во втором случае, порог ограничения записывается во внутренний цифровой регистр контроллера в виде двоичного значения. Запись в регистр осуществляется по шине SMBus.
Аналоговый контроль тока системы
Сначала мы обсудим классический вариант контроля тока, предполагающий использование аналоговой схемы. В качестве базы для рассмотрения, мы, опять же, обратимся к контроллеру MAX8725.
Рис.12 Схема контроля и ограничения входного тока на базе контроллера MAX1909/MAX8725
Токовый датчик включается между контактами контроллера, обозначаемыми CSSN и CSSP. Напряжение токового датчика, фактически, является дифференциальным сигналом. Необходимо измерять именно падение напряжения на контактах токового датчика, т.е. насколько отличается потенциал одного контакта резистора от другого. Поэтому внутри контроллера устанавливается схема дифференциального усилителя и схема сдвига уровней.
Далее полученный сигнал, пропорциональный напряжению на токовом датчике, подается на вход усилителя ошибки, который сравнивает его с опорным напряжением, сформированным на контакте CLS. Разность этих двух сигналов будет управлять ШИМ-контроллером, формирующим сигналы для зарядного устройства. На вход CLS в реальных схемах подается напряжение, полученное делением опорного REF. Частотная компенсация усилителя ошибки обеспечивается цепью, подключаемой к контакту CCS.
Величина тока адаптера задается на этапе проектирования схемы, и не должна изменяться. Поэтому делитель напряжения является фиксированным.
Интересной особенностью MAX8725/MAX1909 является то, что микросхема на одном из своих выходов (IINP) формирует аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна измеренному току. Этот сигнал может использоваться для информирования чипсета ноутбука о величине потребляемого тока. В частности в реальных схемах, этот сигнал подается на аналоговый вход микросхемы EC-контроллера.
(Продолжение следует)
