Использование защиты от низкого напряжения (UVLO) в DC-DC преобразователях при батарейном питании

Вступление

При использовании различных микросхем импульсных преобразователем вы наверняка видели комбинированный вывод EN/UVLO - включение/защита от низкого напряжения питания, как у LM5164 (DC-DC BUCK; 100V; 1A):

В данном статье рассматривается его применение в схемах с аккумуляторных питанием,  где важен ток покоя и дается ответ использовать ли его или подключать напрямую к плюсу.

Предварительные условия опытов
Входное напряжение АКБ 4S1P Li-ion VIN 12В-16.8В (0%-100%)
Номинальное выходное напряжение VOUT 11.04В
Нагрузка отсутствует ILOAD 0A

Опыт №1 (без UVLO)

Таблица

Входное напряжение, V Выходное напряжение, V Ток (без нагрузки), uA
16.804 11.08 26.4
16.013 11.08 23.3
15.503 11.07 23.1
14.984 11.07 23.3
14.519 11.07 26.0
14.052 11.07 27.0
13.510 11.07 28.0
12.998 11.07 28.1
12.512 11.07 29.5
12.226 11.07 31.1
12.106 11.08 42.7
12.000 11.08 57.8
11.721 11.08 160
11.644 11.08 1400
11.509 11.09 2760
11.242 10.99 2830
11.008 10.77 2770
10.750 10.52 2700
10.493 10.27 2630
10.269 10.06 2570
10.032 9.83 2500
9.053 8.89 2250
8.061 7.93 2010
7.042 6.94 1750
6.106 6.042 1510
5.571 5.413 1670
5.026 4.808 2140
4.655 4.369 4670
4.509 1.584 5970
4.283 1.054 470
3.863 1.192 450
3.132 1.074 270
2.546 0.820 70
2.010 0.552 0

График

Для входного напряжения (без UVLO). Когда входное напряжение ( 11.72V) приближается к выходному ток резко возрастает с 50uA до 2500uA:

Для напряжения одной ячейки (без UVLO):

Расчет

Определим номиналы напряжений включения при росте напряжения и падении (разные значения создают гистерезис, так чтобы предотвратить ситуацию, когда напряжение при нагрузки проседает, а без неё восстанавливается и устройство включается-выключается)

Укажем номиналы делителя (такие установлены и на подопытной плате соответственно):

Рассчитаем значения по формуле:

По итогу с резисторами 2МОм+270кОм выходим, что устройство разрядит АКБ до 11.7704V (2.94V на ячейку) и сможет опять включится только при 12.6111V (3.15V на ячейку).

Опыт №2 (с использование UVLO)

Таблица

Входное напряжение, V Выходное напряжение, V Ток (без нагрузки), uA
16.780 11.08 33.8
16.028 11.08 30.7
15.471 11.07 32.6
15.008 11.07 33.8
14.539 11.07 35.5
14.006 11.08 34.2
31.509 11.07 34.2
13.013 11.08 34.6
12.755 11.07 34.6
12.506 11.08 35.0
12.100 11.08 55.3
12.032 0 551.9
11.525 0 552.6
11.047 0 552.4
9.991 0 551.2
9.030 0 549.9
8.041 0 548.6
7.058 0 547.1
6.005 0 5.6
5.089 0 3.9
4.029 0 3.0
3.013 0 1.9
2.009 0 1.0
1.007 0 0.4

График

Для входного напряжения (с UVLO). Здесь когда входное напряжение (12.1V )приближается к выходному ток точно так же возрастает с 50uA до 500uA ( ACTIVE), а выключение (SHUTDOWN) происходит с 6В (ток 3 uA):

Для напряжения одной ячейки (с UVLO):

Ток активного режима

Значение тока в режиме ACTIVE указано и похоже на измерения (600-800uA):

Какой дополнительный ток дал делитель?

При номиналах 2МОм+270кОм это от до 5.29uA до 7.4uA при 0% и 100% заряде АКБ 4S Li-Ion.

Пример устройства с защитой от низкого напряжения

В опубликованной схеме платы Battery Monitoring Board (BMB) от электромашины Tesla Roaster 2008 можно видеть использование такой защиты на напряжение 29.1В (то есть 2.91В 3.23В на ячейку при 10S 9S подключении), но она там DC-DC LT1976 и должна срабатывать сразу:

Отчет с расчетами

Создано с помощью  SMath Studio:

📄 Документ: lm5164_undervoltage_lockout_uvlo_calculation.pdf

Заключение

🟢 Использовать UVLO имеет смысл, если напряжение питание может доходить до значений равному выходному напряжению (прим. VOUT=12V, VIN=12V-16.8V), тогда мы снижаем ток области с повышенным потреблением с 2500uA до 500uA и увеличиваем напряжение полного выключения с 2V до 6V
🟢 Если выходное напряжение гораздо ниже входного ( прим. VOUT=12V, VIN=24V-33.6V), то я не советую использовать UVLO, т.к. тогда преобразователь будет в активном режиме (600-800uA) и добавляется ток делителя (в моем случае 5-7uA), а без UVLO мы сможем оставаться в режиме сна (10.5-25uA).
Очевидно, что устройство должно в этом случае само измерять текущее напряжения и входить в режим глубокого сна при установленном пороге!
🟠 Если входное напряжение может быть близко или даже ниже задаваемого выходного напряжения, то потребление преобразователя в этой области будет значительно больше
При возможности снижайте выходное напряжение преобразователя. Например при питании от источника 4S 12V-16.8V советую делать выход 8V-11V, чтобы отодвинуть участок с повышенным потреблением.
🟠 Если нужно достичь низкого энергопотребления, то избегайте участка с повышенным током и вводите устройство в глубокий сон заранее, не доводя напряжения до условных 0%
dc-dc, uvldo, low voltage lockout, защита от низкого напряжения, iq, quiescent current, ток покоя
—
374
admin
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...