Ogni profilo di carica vale quanto lo stadio di potenza che eroga la sua corrente, eppure la catena analogica di potenza è la parte di un caricatore più spesso trattata come un dettaglio. La topologia determina se un caricatore NiMH funziona fresco con un'efficienza del 90 per cento o dissipa il suo stesso peso in calore, se mantiene una corrente costante precisa per una rilevazione -delta-V valida, e se può abbassare un'ampia gamma di alimentazioni d'ingresso fino a un pack multicella. Questo articolo confronta i regolatori lineari e a commutazione, sviluppa il convertitore buck come stadio standard del caricatore NiMH, spiega perché il controllo in modalità corrente è l'abbinamento naturale per una chimica controllata in corrente, e mappa i compromessi efficienza-calore-ingombro-EMI tra le classi di caricatori, dai caricatori USB a singola AA alle unità multicella.
Un regolatore lineare fa cadere la differenza tra la tensione d'ingresso e quella della batteria su un transistor di passaggio, erogando una corrente pulita, senza ripple, con quasi nessuna interferenza elettromagnetica e un numero minimo di componenti; per una singola cella da un'alimentazione modesta è economico ed efficace, e l'assenza di ripple di corrente rende la misura -delta-V particolarmente pulita (Articolo 6). È la scelta classica nei caricatori NiMH economici a bassa corrente.
Il suo punto debole è una dissipazione pari alla corrente per la differenza di tensione: caricare un pack multicella da un adattatore ad alta tensione, o caricare rapidamente a 1C, trasforma lo stadio lineare in un riscaldatore che richiede rame voluminoso o un dissipatore, abbassa l'efficienza complessiva e aggiunge calore proprio alle celle in carica – controproducente in un caricatore rapido sensibile al calore.
Un convertitore buck commuta un induttore per abbassare la tensione con alta efficienza – comunemente 85 a 95 per cento –, così poca potenza è sprecata in calore, consentendo caricatori rapidi compatti e pack su un ampio intervallo d'ingresso; un buck sincrono sostituisce il diodo di ricircolo con un secondo MOSFET per guadagnare qualche altro punto di efficienza, conveniente ad alte correnti di carica. La commutazione è la topologia standard ovunque corrente, numero di celle o calore dell'involucro rendano insostenibile la dissipazione lineare.
Il costo è la complessità di progettazione: scelta di induttore e condensatore, compensazione dell'anello, pilotaggio del gate del MOSFET, ed EMI condotta/radiata che deve essere filtrata e disposta con cura; il ripple di commutazione appare anche come rumore di corrente e tensione che la catena di misura deve rifiutare, una diretta conseguenza che il firmware di terminazione deve accogliere.
Il NiMH richiede una corrente controllata, con la tensione rilevata solo per la terminazione (Articolo 15); il controllo in modalità corrente regola la corrente di picco o media nell'induttore direttamente rispetto al comando della macchina a stati, offrendo un limite di corrente intrinseco, risposta rapida a variazioni d'ingresso e di carico, e una corrente di carica stabile e ben definita ai livelli rapido, top-off e trickle. L'anello interno di corrente semplifica l'erogazione della corrente esatta che il profilo presuppone – prerequisito per -delta-V e dT/dt interpretabili.
Il controllore (un circuito dedicato o MCU più pilotaggio di gate) comanda il setpoint di corrente; lo stadio di potenza lo impone ciclo per ciclo. I profili multistadio e a impulsi (Articoli 2, 13) diventano cambi di setpoint e rapporto ciclico, e il mantenimento a impulsi una modulazione a bassa corrente media che il buck produce efficientemente – capacità che uno stadio lineare offre solo dissipando.
La scelta della topologia segue la relazione di tensione ingresso-batteria: un buck va bene quando l'adattatore supera sempre la tensione massima del pack; intervalli ampi o sovrapposti possono richiedere un buck-boost; gli ingressi USB impongono vincoli di limite di corrente ed enumerazione che interagiscono con la corrente di carica. La saturazione dell'induttore deve superare la corrente di carica rapida con margine, la capacità d'ingresso/uscita deve controllare il ripple che disturba la misura, e la progettazione termica dello stadio di potenza è coordinata con la gestione termica delle celle dell'Articolo 28 così il calore del convertitore non sia scambiato per temperatura della cella.
Su scala multicella, l'efficienza fissa direttamente la temperatura dell'involucro: un caricatore da 30 W all'85 per cento cede 5 W di calore internamente, mentre al 93 per cento ne cede circa 2 W – spesso la differenza tra aver bisogno di ventilazione forzata o meno.
Il rumore di commutazione e la misura della batteria condividono una scheda, quindi il layout dispone l'anello di potenza in modo compatto, usa una misura in stile Kelvin sulla cella invece che attraverso le cadute dei connettori, e sincronizza il campionamento della tensione lontano dai fronti di commutazione (o filtra sotto la frequenza di ripple); questa co-progettazione è ciò che permette a un caricatore a commutazione di ottenere una robustezza di terminazione paragonabile a quella di uno lineare. La prima figura contrappone flusso di potenza e dissipazione lineare e buck; la seconda mappa la scelta della topologia tra requisiti di corrente e numero di celle.
Le modalità di guasto – saturazione dell'induttore, spegnimento termico del commutatore, caduta d'ingresso sotto variazione solare/USB – devono degradare il profilo di carica in sicurezza (mantenere o ridurre la corrente) invece di corrompere la terminazione.
I circuiti dedicati di gestione della carica (articolo successivo) integrano il controllo del commutatore con la terminazione, ma la progettazione esterna dello stadio di potenza resta responsabilità del progettista e fissa efficienza e rumore conseguibili. Weijiang fornisce le caratteristiche tensione/corrente lato cella e la sensibilità al ripple di corrente che aiutano a tarare lo stadio di potenza e la misura per una terminazione pulita. Il prossimo articolo apre il circuito di gestione della carica stesso per mostrare come l'architettura di controllo e terminazione sia integrata nel silicio.
Weijiang Power progetta e produce celle al nichel-metallo idruro, pack abbinati e configurazioni pronte per la carica per clienti consumer, industriali, medici e della mobilità, e supporta i partner con indicazioni sui protocolli di carica, file di prestazione IEC 61951-2, evidenze di sicurezza IEC 62133-1 e co-validazione dei caricatori. Condividete formato della cella, tasso di carica, inviluppo termico e obiettivo di cicli, e i nostri ingegneri specificheranno una combinazione cella-e-carica che protegge sia l'autonomia sia la vita utile. Esaminate la gamma nella pagina prodotti.
