ФИЛЬТРАЦИЯ ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССОВ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В РАМКАХ ОПЫТНОЙ РАЗРАБОТКИ.

После изготовления опытного образца зарядного устройства для аккумуляторных батарей (далее АКБ), было выявлено несколько особенностей, которые невозможно было учесть, за имением только документации на микросхемы и неимением достаточного опыта в области разработки. В данном курсовом проекте описана проблема контроля заряда АКБ, а именно точности приходящего сигнала. Предметом исследования является цепь обратной связи (далее ОС), требуемая для отслеживания заряда АКБ. Возникновение неконтролируемых флуктуаций, вызванных недочетами в топологии и источником питания, требуется учитывать и погасить. Требуется определить их характер и найти способ устранения.

Микросхема, которая управляет зарядом батареи – bq24610 производителя Texas Instruments. Для корректной работы требуется настроить характеристики максимального заряда батареи, величину тока заряда, пороговые состояния подзаряда: напряжение и ток подзаряда.

Контроль напряжения АКБ, который требуется для перехода процессов заряда «постоянный ток – постоянное напряжение» и завершение заряда, определяется сигналом, который приходит на вывод обратной связи FB. Точность приходящего сигнала крайне важна для крайнего определения завершения заряда и вышеперечисленных этапов. На рисунке 1 показан график перехода процессов и график заряда батареи.

Рисунок 1. График, описывающий процесс заряда в микросхеме bq24610

Сплошной линией, на рисунке 1, обозначены переходы процессов: фаза подзаряда, фаза постоянного тока, фаза постоянного напряжения. С помощью осцилографа мы можем определить амплитуду флуктуаций. С помощью функции FF (быстрое распределение Фурье), мы определяем, что помехи возникают в диапазоне от 380 до 400 КГц, что показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Определение амплитуды помех

При возрастании напряжений на АКБ, возникающие флуктуации чаще достигают порога в 16,8 вольт напряжения полного заряда АКБ, что завершает процесс заряда, раньше требуемого и процесс погашения внутреннего сопротивления батареи может не наступить. Важно, что в процессе заряда напряжение на АКБ будет больше чем у АКБ не подключенного.

Для того, чтобы подавить данные флуктуации, учитывая ограниченные габариты корпуса и платы, разумно использовать фильтр низкой частоты. Пунктирной линией показано возрастающее напряжение АКБ.

Простейшие фильтры низкой частоты (далее ФНЧ) которые можно построить на цепях RC и LC. Останемся на выборе RC, так как дроссели могут быть достаточно большими и выделять тепло, что вызовет дополнительные трудности при проектировании. Требуется поставить в цепь ФНЧ таким образом, чтобы учесть ток, который будет протекать к контакту ОС и не превышал допустимых значений. Согласно документации на микросхему, на контакт FB может приходить ток от 40 до 60 мА. На рисунке 3 показано, как должен быть поставлен ФНЧ в схеме.

Рисунок 3. ФНЧ в схеме зарядного устройства

Резистор R42, который будем обозначать как R_ФНЧ, и конденсатор C38, который будем обозначать как C_ФНЧ, образуют ФНЧ. Резисторы R43 и R44 образуют делитель напряжения, требуемый для понижения напряжения заряда батареи. При максимальном напряжении на АКБ, на контакт ОС приходит напряжение согласно расчету:

При минимальном напряжении на АКБ, на контакт ОС приходит напряжение согласно расчету:

Соответственно максимальный ток будет приходить при минимальном напряжении и наоборот. Средним значением напряжения равно 1,675 В. Рассчитаем R_ФНЧ:

Таким образом R_ФНЧ примерно равен 232 КОм.

Для большей надежности стоит увеличить величину крутизны ФНЧ, это можно сделать по средству использования дополнительного дросселя, но как было указано ранее, мы ограничены габаритными показателями. Так как сигнал, приходящий на контакт FB, не цифровой, а аналоговый, мы можем позволить себе выставить частоту среза гораздо ниже, пусть это будет частота 300 КГц. Из формулы для расчета частоты f среза, мы можем подсчитать величину конденсатора.

Конденсатор равен 2.02 пФ.

Важно учесть, ФНЧ должен быть максимально близок к контакту FB микросхемы, а конденсатор C_ФНЧ должен быть подключен к наименьшему потенциалу платы - «земле» - микросхемы напрямую отдельным проводником для того, чтобы избежать влияния фильтрующих конденсаторов в других цепях. Так же стоит учесть, что бы большие сигнальные проводники были отвязаны от ФНЧ полигонами земли на других слоях и полигонами земли на слое, где находится сам ФНЧ. Стоит исключить переходные отверстия для ФНЧ, т.к. тогда будет крайне сложно соблюсти однородность сопротивления проводника, соединяющий ФНЧ и вывод ОС.

Таким образом был подробно изучен и учтен фактор влияния неконтролируемых флуктуаций на контакт, отвечающий за переход процессов заряда «постоянный ток – постоянное напряжение» и завершение заряда. Такое простое устройство как правильно рассчитанный ФНЧ первого порядка и правильно сделанная топология может устранить данную нежелательную проблему без больших затрат как по экономическим, так и по габаритным показателям.

Список литературы:

1. Т. Уильямс. «ЭМС для разработчиков продукции». Издательский Дом «Технологии», 2003г. – 540 с.