JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
Bipolär transistor utmanar MOSFET i litiumladdare, hävdar Simon Ramsdale på Zetex Semiconductors.
Simon Ramsdale började på Zetex Semiconductors år 2003 och ingår i företagets produktteam för diskreta och standardkretsar. Idag arbetar han med utveckling av företagets strömövervakare, spänningsreferenser och kraftkällsrelaterade ASSPer. Tidigare har han arbetat som strategisk marknadschef hos Texas Instruments i Dallas, USA, och som applikationsingenjör hos såväl Texas Instruments som Avnet inom linjära och kraftprodukter. Han har en BSc-examen i ”Electronic and Electrical Engineering” från universitetet i Manchester i Storbritannien.

Image Dagens bärbara elektronik ställer konstruktören inför tre huvudutmaningar: mer funktionalitet, mindre storlek och längre driftstid. Eftersom uppladdningsbara litiumjonbatterier är det enda alternativet för exempelvis mobiltelefoner, digitalkameror och PDAer så måste laddaren konstrueras så att den minimera laddningstiden samtidigt som den maximerar batterilivslängden.
Normalt består ett sådant system av en AC-adapter som ger reglerad likspänning samt en inbyggd laddare som är inställd för den bärbara utrustningens batterispecifikation. Ur effektförbruknings- och övergripande konstruktionshänseende är laddarens mest kritiska del ofta den halvledare som levererar ström till batteriet.
Eftersom linjära regulatorer är små och relativt enkla utnyttjas de ofta i laddare. Deras pass-element, alltså den komponent som styr utspänningen genom att ändra resistansen, måste dels tillhandahålla omvänd blockering för att undvika att laddaren laddar ur cellen då extern kraft saknas dels motstå de spänningsvariationer som följer med drift från en AC-adapter. Denna modell tjänar att illustrera några av de viktigaste kriterierna som ställs på konstruktionen av en laddare för litiumjonbatterier som ju har fyra faser att styra: förladdning, konstant ström, konstant spänning och fulladdning.

Maximal effektförbrukning
uppstår under konstantströmfasen, eftersom pass-komponenten har full laddningsspänning över sig då den överför maximal ström. Trots att effektnivån sjunker till några hundra milliampere under konstantspänningsfasen är denna fas den längsta under vilken pass-komponenten fortfarande kan förbruka betydande effekt.
Pass-komponenten kan vara en bipolär PNP-transistor eller en P-kanals-MOSFET. När storlek och pris är kritiska parametrar klarar sig ofta transistorer med hög strömförstärkning bättre än MOSFETar. Detta är särskilt sant vid låga spänningar, som är typiska vid batteridrift, eftersom den låga grindspänningen alltid påverkar prestanda för en MOSFETs på-resistans.
Eftersom pass-komponenten aldrig går i mättat läge vid normal drift med en linjär regulator kan man inte dra nytta av en MOSFET optimalt. Bipolära transistorer har däremot naturligt omvänd blockering. De kräver inte heller externa Schottkydioder eller andra kretsar i ”back-to-back”-konfigurering, vilket sparar effekt, kortutrymme och pengar.
I praktiken måste kraftkällan ge åtminstone 4,7 V för att ladda en litiumjoncell från 3 V till 4,2 V. Överskottet tar hänsyn till förluster i pass-komponenten och det strömavkännande motståndet. Eftersom en typisk AC-adapter har en spänningstolerans på ±5 procent kan spänningen över pass-komponenten överstiga 1,9 V vid exempelvis 0,6 A för en cell som ger 0,6 A per timme. Effektförbrukningen på över 1 W är lika för MOSFETar och bipolära transistorer. En bipolär krets såsom ZXT13P12DE6 kan förbruka 1,1 W vid 25 °C i en SOT23-6-kapsel. En MOSFETs krav på en separat Schottkydiod ökar emellertid effektförbrukningen med 240 mW.

I switchade konstruktioner fungerar pass-komponenterna som switchar. De är på, av eller i ett mellanläge. Arkitekturen minskar effektförbrukningen i
transistorerna och kan öka effektiviteten med över 90 procent men ökar även komplexiteten, storleken och kostnaden. Switchad drift minskar väsentligt laddarens förlustvariation med förändringar i källspänning, cellspänning och laddningsström. Det är då möjligt att öka källspänningen till mer än 10 V för att minimera på-resistansen i MOSFET-switchar till följd av bättre grindförstärkning. De flesta kretsar för switchade laddare är tänkta att driva MOSFETar och en del utnyttjar synkrona switchningstekniker för att öka effektiviteten ytterligare. En separat omvänt blockerande Schottkydiod är fortfarande nödvändig för MOSFETen.
Pulsladdare ersätter en AC-adapter med fast utström. Under laddningsfasen med konstant ström lägger pass-komponenten hela strömmen på cellen. Eftersom adaptern justerar sin utspänning för att motsvara laddningsströmmen, och transistorn är mättad under denna toppeffektfas, förbrukar den minimal effekt. Detta gör att pulsladdare kan leverera mer ström till en cell, ladda celler av högre kapacitet eller minska pass-komponentens storlek. Med den inneboende möjligheten till omvänd blockering och låg kollektor-emitter-(VCE)-mättnad är en bipolär transistor optimal för denna tillämpning. Här har ZXT13P12DE6 ett typiskt VCE på 50 mV vid 600 mA, vilket inskränker toppeffektförlusten till 30 mW. En MOSFET-konstruktion skulle förlora ytterligare 200 mW i den omvänt blockerande Schottkydioden.

Laddningsströmmens noggrannhet
är betydligt mindre väsentlig för cellens livslängd än noggrannheten för den slutliga laddningsspänningen under konstantströmfasen. Kretsen känner av cellspänning och temperatur under denna fas och när cellspänningen når 4,2 V växlar laddaren till att utnyttja pulser. Under fasen med konstant spänning tillämpar kretsen strömpulser som resulterar i en exponentiell minskning av den genomsnittliga ström som cellen mottar. Pass-komponenten är antingen på eller av, vilket kraftigt minskar dess effektförbrukning. Det är nödvändigt att övervaka cellspänningen under och efter strömpulserna för att se till att det slutliga värdet ligger inom en procent av målvärdet. Denna fas fortsätter tills laddningsströmmen når en förbestämd nivå, eller att en viss tid gått. Därefter kommer laddningen att antingen upphöra eller switcha till ett cykelöverhoppande läge.
Den främsta utmaningen som linjära laddare medför är att hantera toppeffektförbrukningen i pass-komponeneten samtidigt som konstruktionens storlek minimeras. Bipolära transistorer, med sina inneboende möjligheter till omvänd blockering, ger här kostnads- och effektbesparingar jämfört med MOSFET-baserade lösningar.

Switchade laddare minskar kraftigt den totala effektförbrukningen, men är dyrare och tar större plats. Drivkretsar specificerar normalt MOSFETar som pass-komponenter. Switchade konstruktioner passar för mindre kostnadskänsliga högeffektstillämpningar.
Pulsladdare begränsar också den totala effektförbrukningen, men är inte lika komplicerade som switchade konstruktioner. Denna karakteristik passar i bärbar elektronik, som måste kunna hantera betydande strömnivåer på allt mindre kortutrymmen. Förluster till följd av mättnad i pass-komponenten dominerar effektförbrukningen, men den överskuggas av förlusten i Schottkydioden som ju krävs i en MOSFET-baserad lösning. Därmed är bipolära transistorer det klart bästa alternativet för denna tillämpning.                            


MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus