Konečně redundantní obousměrný kontrolér pro dvě 12V baterie

Vše nasvědčuje tomu, že revoluce spojená se samořiditelnými vozy je již v plném proudu. Firmy se zde spojují s technologickými giganty, jako jsou např. Google nebo Uber, stejně jako s významnými start-upy s cílem vyvinout novou generaci autonomních vozidel, které by změnily nejen naše cesty či dálnice, ale také vytvořily předpoklady pro vznik následných chytrých měst. Rychlý vývoj bude samozřejmě provázán s rozvinutými technologiemi typu strojového učení, internetu věcí (IoT) nebo cloudovými systémy. A co víc, autonomní vozidla podpoří průlomový přístup, který již v této oblasti vytvářejí oblíbené sdílené služby typu Uber nebo Lyft. Jednotlivé kousky skládačky se tak spojují a dávají vzniknout světu, ve kterém je budoucnost přepravy definována inteligentními dopravními prostředky a také vozy bez řidiče.

Veškerá samořiditelná auta budou nakonec k dosažení potřebného stupně nezávislosti vyžadovat spojení čidel, kamer, radaru, špičkové navigace, lidaru, umělé inteligence (AI) a také systémů strojového učení. Zapomenout ale nesmíme ani na možnost propojení se zabezpečenými a dále rozšířitelnými prvky internetu věcí, systémy správy dat či cloudovými službami. To vše zde rovněž hraje důležitou roli, zvláště když potřebujete výkonné a odolné prostředky pro sběr, správu či analýzu údajů ze senzorů. Rozmach propojených vozidel má také dalekosáhlý společenský dopad – od přínosu pro životní prostředí až po vyšší bezpečnost. Menší počet aut na silnicích znamená omezené vypouštění skleníkových plynů. Ve výsledku proto snižujeme spotřebu energie a zlepšujeme kvalitu vzduchu.

Neodmyslitelnými předpoklady pro samořiditelná auta a také chytré silniční systémy se stávají dálková měření, chytrý software a cloud. Palubní kamery a snímače v autonomních vozidlech sbírají nesmírné množství dat, která musí být zpracována v reálném čase. Na své cestě do cíle se tak může vůz pohybovat ve správném jízdním pruhu a bezpečně. Další důležitou součást zde spojujeme se samotnou propojitelností a síťovým sdílením založeným na cloudu. Autonomní vozidla budou vybavena palubními systémy s podporou vzájemné komunikace mezi stroji. Mohou se proto učit od jiných vozů na silnici a reagovat s ohledem na změny počasí nebo proměnlivé dopravní podmínky, např. pokud jde o objížďky a další překážky přímo na cestě. Abychom zajistili, že samořidicí vozidla budou schopna rychlého a automatického přizpůsobení se proměnlivé situaci, neobejdeme se především bez pokročilých algoritmů a systémů hlubokého učení.

Nejsou to však jen specifické součásti – rozšířitelná infrastruktura s cloudovými výpočty nebo chytrá správa dat. Potřebujeme zde rovněž redundantní klíčové systémy, včetně zdrojů napájení. K dispozici máme již dříve představená redundantní řešení s bateriemi, využívající např. obvodů LTC3871 [1] pracujících se dvěma zdroji majícími odlišná napětí, řekněme 48V Li-Ion a 12V olověným akumulátorem. Většina ze stávajících řešení však nezajišťuje redundanci pro stejná napětí, např. dvě 12V, 24V či 48V baterie. A tak je to až dosud.

Zcela jasně zde proto potřebujeme obousměrný snižující – zvyšující DC/DC měnič, který by dokázal pracovat mezi dvěma 12V bateriemi. Takový DC/DC měnič lze tedy využít k nabíjení kteréhokoli akumulátoru a stejně tak oběma bateriím umožňuje dodávat proud do stejné zátěže. Jestliže kromě toho jeden z akumulátorů selže, potřebujeme vzniklou poruchu detekovat a oddělit od další baterie, která pak pokračuje v dodávce energie do zátěže bez jakéhokoli přerušení. Klíčovou funkci řeší nedávno představený obvod LT8708 [2], obousměrný DC/DC kontrolér od společnosti Analog Devices. Dvě baterie se stejným napětím tak bude možné propojit dohromady.

Jediný obousměrný IO

Pod označením LT8708 najdete obousměrný snižující – zvyšující kontrolér spínaného regulátoru s účinností 98 %, který dokáže pracovat mezi dvěma bateriemi s totožným napětím. Stává se tak ideálním řešením pro redundantní systémy v samořiditelných vozidlech. Může přitom pracovat ze vstupního napětí vyššího, nižšího nebo rovnajícího se výstupnímu napětí a hodí se tak pro dvě 12V, 24V či 48V baterie, s nimiž se běžně setkáváme v elektrických a také hybridních vozech. Obvody LT8708 mají své místo mezi dvěma akumulátory a zabraňují tak vypnutí systému v případě, kdy jedna z baterií selže. Součástku lze rovněž nasadit v aplikacích se dvěma bateriemi o napětí 48 V / 12 V a 48 V / 24 V.

Obvod LT8708 využívá jediné indukčnosti a pracuje přitom se vstupním napěťovým rozsahem od 2,8 V až do 80 V, zatímco výstupní napětí dosahuje 1,3 V až 80 V. V závislosti na volbě vnějších součástek a také počtu stupňů součástka zajistí dodávku až několika kilowattů výkonu. Zjednodušuje tím obousměrnou konverzi v záložních systémech s bateriemi či kapacitami, které vyžadují stabilizaci V_OUT, V_IN a/nebo I_OUT, I_IN – obojí v přímém nebo též opačném směru. Nasazení v celé řadě aplikací rovněž nahrává šest nezávislých forem regulace.

Za účelem dalšího navyšování výkonu a počtu stupňů budou k obvodu LT8708 paralelně řazeny prvky LT8708-1 [3]. Obvod LT8708-1 pracuje pokaždé jako jednotka slave, zatímco LT8708 zde vystupuje jako master. Podřízené prvky, které mají předpoklady pro zajištění stejného množství výkonu jako hlavní součástka, lze taktovat s časovým posunem. K jedinému masteru je možné připojit až 12 jednotek slave a úměrně přitom navyšovat výkonový a také proudový potenciál systému.

Proudy tekoucí v obou směrech lze sledovat a rovněž i omezovat s ohledem na vstupní a výstupní strany měniče. Veškeré čtyři proudové limity, tj. kladné i záporné a poplatně vstupu či výstupu, je přitom možné nezávisle definovat na základě čtveřice rezistorů. Ve spojení s řídicím vývodem DIR pak bude čip konfigurován tak, aby zpracovával výkon ve směru od V_IN k V_OUT, resp. z V_OUT k V_IN, typicky v zapojeních pro automobilový průmysl, solární systémy, telekomunikační techniku nebo bateriově napájená zařízení obecně. Obvody LT8708 jsou k dispozici v pouzdrech typu QFN se 40 vývody a o rozměrech 5 × 8 mm. Počítat můžete s několika teplotními rozsahy, od –40 °C do +125 °C (rozšířený a průmyslový) a také pro automobily s vysokou teplotní zátěží od –40 °C až do +150 °C. Zjednodušené schéma zapojení s obvodem LT8708 vidíme na obr. 1.

Kompletní řešení

Nákres na druhém obrázku zachycuje další součástky potřebné k návrhu uceleného redundantního zapojení se dvěma bateriemi v rámci dané aplikace z oblasti automobilového průmyslu. Obvod LT8708 zde pracuje se dvěma prvky LT8708-1 a vytváří tak třístupňové řešení dodávající v kterémkoli směru až 60 A. Dodatečné obvody LT8708-1 přidávané za účelem navyšování výkonu podporují mimořádné návrhy až s 12 dalšími stupni. AD8417 je zesilovač pro snímání proudu tekoucího v obou směrech, tedy dovnitř a také i ven z akumulátoru. Když pak zmíněný proud překročí nastavenou hodnotu, budič statického spínače s tranzistory NMOS na vyšší straně napájení, LTC7001, ovládá vzájemně spojené MOSFETy a odděluje tím jednu či druhou baterii od zbytku obvodu.

Součástka s označením LTC6810-2 konečně sleduje a také řídí činnost Li-Ion akumulátoru. S celkovou chybou pod 1,8 mV přesně měří jednotlivé články. Současným zapojením většího počtu obvodů LTC6810-2 k host procesoru vytváříme další redundanci také pro monitorování jiných napětí v konkrétním návrhu. Pro účely vysokorychlostní komunikace na delší vzdálenosti, která je dále odolná vůči vf rušení, využívá LTC6810-2 rozhraní isoSPI™. Podporuje přitom práci v obou směrech. Součástka rovněž nabízí pasivní vyvažování s řízením střídy (PWM) pro každý článek. Nechybí zde ani předpoklady pro redundantní měření článku.

Způsob řízení

Obvody LT8708 zajišťují výstupní napětí, které může být nad, pod, ale také na úrovni napětí vstupního. Nabízí rovněž obousměrné sledování proudu a možnosti regulace jak na vstupu, tak i výstupu. Chráněná řídicí architektura ADI využívá pro snímání proudu tekoucího indukčností rezistor. Uvažujeme přitom snižující, zvyšující nebo snižující – zvyšující režimy činnosti. Proud cívkou je řízen napětím na vývodu V_C, který představuje společný výstup šesti vnitřních zesilovačů odchylky EA1 až EA6. Zmiňované zesilovače poslouží k omezení či stabilizaci příslušných napětí nebo proudů, přesně jak to vidíme v tab. 1.

Napětí V_C má typický rozsah přibližně 1,2 V (min−max). Maximální napětí V_C souvisí s největším kladným proudem indukčností a zapříčiní tak i největší průtoky ve směru od V_IN k V_OUT. Minimální napětí V_C se zase pojí s největším záporným proudem tekoucím cívkou a hovoříme zde o maximálním toku z výstupu směrem ke vstupu. V jednoduchém příkladu s regulací V_OUT obdrží vývod FB_OUT zpětnovazební napěťový signál V_OUT, který je v rámci EA4 dále porovnáván s vnitřním referenčním napětím. Nízké napětí V_OUT umožňuje růst V_C a směrem k výstupu poteče více proudu. Stejně tak i obráceně, vyšší V_OUT stojí za snížením V_C a omezením proudu tekoucího k výstupu, příp. bude proud z výstupu rovnou i odtékat.

Jak jsme již uvedli výše, obvod LT8708 na svém vstupu i výstupu rovněž zajišťuje obousměrnou regulaci proudu. Při uvážení V_OUT lze proud stabilizovat či omezovat v přímém a také opačném směru (EA6, resp. EA2). Pro případ V_IN pak stejná situace nastává za přispění zesilovačů odchylky EA5, resp. EA1. V běžném zapojení lze V_OUT regulovat s využitím EA4, zatímco zbývající zesilovače odchylky sledují nadměrný vstupní či výstupní proud nebo vstupní podmínku pro vznik podpětí. V dalších aplikacích, jako je např. záložní bateriový systém, může být akumulátor připojený k V_OUT nabíjen konstantním proudem (EA6) na své maximální napětí (EA4). Někdy to může fungovat zase obráceně, takže dodáváme energii zpět pro V_IN a využijeme přitom dalších zesilovačů odchylky ke stabilizaci V_IN a také limitaci maximálního odběru. Pro více informací již ale odkazujeme na dokumentaci k obvodu LT8708.

Závěr

Obvody LT8708-1 zvyšují laťku, pokud jde o vlastnosti, možnosti řízení a také zjednodušení automobilových DC/DC systémů se dvěma bateriemi o stejném napětí. Ať již takové řešení využijete k přenosu energie mezi dvěma redundantními zdroji napájení, nebo při zálohování klíčových systémů, prvky LT8708 zde umožní práci se dvěma bateriemi či superkapacitory majícími stejné napětí. Díky zmíněným předpokladům pak mohou vývojáři systémů nasazovaných v automobilovém průmyslu snadněji připravit cestu k dalšímu zlepšování na poli vestavěné elektroniky, se kterou budou vozidla ještě bezpečnější a mohou také efektivněji fungovat.