Một bộ sạc pin dự phòng thông minh đã được thiết kế sử dụng các sản phẩm của Analog Devices. Thiết kế này có cấu trúc linh hoạt, có khả năng tiếp nhận nhiều nguồn điện đầu vào và quản lý quá trình sạc pin một cách thông minh, đồng thời vẫn cung cấp điện cho tải. Thiết kế mới tích hợp các chức năng quan trọng vào một bo mạch có kích thước nhỏ gọn, phù hợp hơn với các ứng dụng thương mại, đồng thời vẫn duy trì hiệu suất ổn định và hệ thống quản lý nguồn điện thông minh.

Giới thiệu

Sự gia tăng nhu cầu sử dụng các thiết bị điện tử di động đã thúc đẩy nhu cầu về các hệ thống quản lý nguồn điện hiệu quả và có tính di động cao. Pin dự phòng (power bank) đã trở thành một phụ kiện không thể thiếu nhờ khả năng cung cấp nguồn điện dự phòng đáng tin cậy cho điện thoại thông minh, máy tính bảng và các thiết bị khác sử dụng nguồn USB.

Sử dụng các bo mạch đánh giá và bo mạch trình diễn (evaluation/demo board), trước tiên chúng tôi đã xây dựng một giải pháp bộ sạc pin dự phòng dạng mô-đun nhằm kiểm chứng ý tưởng (proof-of-concept). Mẫu thử nghiệm này được lắp ráp bằng cách xếp chồng nhiều bo mạch demo lên nhau. Sau đó, thiết kế được phát triển thành một giải pháp tích hợp trên một bo mạch duy nhất với hiệu suất được cải thiện và nhiều tối ưu hóa hơn.

Giải pháp này có thể tiếp nhận nhiều nguồn đầu vào, chẳng hạn như pin, tấm pin năng lượng mặt trời hoặc bộ chuyển đổi DC, đồng thời quản lý dòng năng lượng một cách thông minh để vừa sạc pin vừa cấp nguồn cho tải.

Bài viết này nhằm tìm hiểu các tính năng quản lý đường dẫn nguồn (power path) thông minh của các IC Analog Devices trong một thiết kế nhỏ gọn mà không làm giảm hiệu suất. Nội dung tập trung vào các yếu tố cần cân nhắc khi thiết kế giải pháp một bo mạch, nguyên lý thiết kế và đánh giá hiệu suất, đồng thời nêu bật những cải tiến so với giải pháp thử nghiệm sử dụng nhiều bo mạch demo.

Sơ đồ khối thiết kế

Trong thiết kế này, một kiến trúc nhỏ gọn và được tối ưu hóa đã được phát triển để hỗ trợ hai nguồn điện áp đầu vào có dải điện áp rộng, cụ thể là nguồn từ tấm pin năng lượng mặt trời và bộ chuyển đổi AC-to-DC.

Nguồn điện đầu vào được quản lý một cách thông minh bằng bộ điều khiển đường dẫn nguồn LTC4416 kết hợp với bộ sạc buck có quản lý đường dẫn nguồn LTC4162-L. Cấu hình này cho phép sạc hiệu quả nhiều loại pin Li-ion, hỗ trợ cấu hình bộ pin mắc nối tiếp lên đến 4S1P.

Như minh họa trong Hình 1, hệ thống sử dụng bộ điều chỉnh chuyển mạch buck-boost LTC3115-1 để điều chỉnh động điện áp đầu ra cấp cho tải, đảm bảo điện áp đầu ra tối đa ổn định ở mức 5 V và dòng điện 2 A, trong khi LTC4162-L giám sát mức điện tích của pin.

‍

Lựa chọn linh kiện và bố trí thiết kế

Ba linh kiện chính được lựa chọn để tối ưu hiệu suất hệ thống dựa trên cấu trúc của sơ đồ khối thiết kế. Các linh kiện này được lựa chọn nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống, giảm tổn hao công suất, tiết kiệm diện tích bố trí PCB và giảm tổng chi phí.

Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trong Hình 2.

‍

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý của thiết kế một bo mạch.

1. Hai nguồn đầu vào sử dụng LTC4416

Một cấu hình OR đơn giản sử dụng diode có thể được dùng để chuyển đổi giữa hai nguồn điện đầu vào. Tuy nhiên, phương pháp này gây ra tổn hao công suất đáng kể do sụt áp thuận vốn có trên diode, ngay cả khi sử dụng diode Schottky có điện áp rơi thấp.

LTC4416 tạo ra quá trình chuyển đổi liền mạch giữa hai nguồn với mức sụt áp rất thấp, qua đó giảm tổn hao công suất. IC này điều khiển các MOSFET kênh P bên ngoài để mô phỏng hoạt động của diode lý tưởng, giúp giảm đáng kể tổn hao dẫn và cải thiện hiệu suất cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống.

LTC4416 hoạt động ở sáu chế độ khác nhau. Mỗi chế độ phụ thuộc vào cấu hình của các chân đầu vào E1 và E2 như được nêu trong datasheet. Trong thiết kế này, chế độ được lựa chọn là V1 lớn hơn V2, trong đó E1 được thiết lập ở chế độ Sense và E2 được nối ở mức 0.

Điều này có nghĩa là IC ưu tiên nguồn V1. Với chế độ hoạt động này, IC được cấu hình để V1 là nguồn điện chính có dải điện áp đầu vào rộng từ 15 V đến 35 V DC, trong khi V2 là nguồn từ tấm pin năng lượng mặt trời với điện áp từ 3,6 V đến 15 V, đóng vai trò là nguồn điện áp thứ cấp.

Khi V1 lớn hơn hoặc bằng 15 V, E1 cho phép nguồn V1 trở thành nguồn cấp điện chính và ngắt nguồn V2 do V1 lớn hơn V2.

Khi V1 giảm xuống 13,4 V, V2 trở thành nguồn cấp điện chính, trong khi V1 được ngắt khỏi đầu ra. Miễn là điện áp từ tấm pin năng lượng mặt trời nằm trong khoảng 3,6 V đến 15 V, V2 sẽ tiếp tục cấp nguồn cho tải đầu ra cho đến khi V1 được khôi phục. Điểm khôi phục của V1 được thiết lập ở mức 15 V như minh họa trong Hình 2.

Điểm điện áp lỗi và điểm khôi phục của V1 có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi giá trị điện trở R1, R2 và R3 trong Hình 2. Việc này có thể được thực hiện bằng công thức được cung cấp trong datasheet như sau:

Sau khi xác định V1, có thể lựa chọn V2 để đảm bảo cấu hình hoạt động tối ưu. Nếu V1 bị lỗi hoặc không khả dụng, hệ thống sẽ tự động chuyển sang V2 để duy trì nguồn cấp cho đến khi đạt đến điểm khôi phục, với điều kiện V1 > V2.

Do điện áp đầu ra phụ thuộc vào nguồn có điện áp cao hơn, quá trình khôi phục sẽ không xảy ra nếu V2 > V1.

2. Quản lý đường dẫn nguồn thông minh

Trong các ứng dụng như pin dự phòng và các thiết bị cần vừa sử dụng vừa sạc pin đồng thời, việc triển khai chức năng sạc có quản lý đường dẫn nguồn (power path charging) là một giải pháp lý tưởng.

Phương pháp này giúp tối ưu hiệu suất của pin và kéo dài tuổi thọ tổng thể bằng cách quản lý hiệu quả việc phân phối nguồn giữa hệ thống và pin.

Hệ thống quản lý nguồn điện đầu vào một cách thông minh bằng cách lựa chọn giữa ba nguồn: bộ chuyển đổi AC-to-DC, tấm pin năng lượng mặt trời hoặc pin. Bộ chuyển đổi AC-to-DC hoặc tấm pin năng lượng mặt trời chủ yếu được sử dụng để sạc pin.

Nếu bộ chuyển đổi AC-to-DC gặp sự cố và điện áp từ tấm pin năng lượng mặt trời giảm xuống dưới giá trị tối thiểu, hệ thống sẽ tự động chuyển sang pin dự phòng đã được sạc để cấp nguồn cho tải.

Đầu ra từ mạch quản lý đường dẫn nguồn LTC4416 được đưa vào LTC4162-L, thiết bị hỗ trợ điện áp đầu vào tối đa 35 V.

LTC4162-L có khả năng hoạt động ngay cả khi pin đã xả hết hoặc không được kết nối, đồng thời tích hợp chức năng theo dõi điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT) nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời.

Khi có ánh sáng mặt trời mạnh, tấm pin năng lượng mặt trời hoạt động trong hai vùng: vùng trở kháng thấp với điện áp không đổi và vùng trở kháng cao với dòng điện không đổi. Đặc tính này giúp vòng điều khiển của thiết bị duy trì trạng thái ổn định khi hoạt động ở vùng trở kháng thấp, chẳng hạn vùng điện áp cao.

Tuy nhiên, do IC sử dụng điện áp đầu vào để xác định điểm MPPT, điện áp của tấm pin năng lượng mặt trời sẽ giảm khi trở kháng tăng, chẳng hạn trong vùng điện áp thấp. Điều này có thể khiến vòng điều khiển trở nên không ổn định.

Trong thiết kế này, đầu vào từ tấm pin năng lượng mặt trời hoạt động ở vùng trở kháng cao (<12 V). Để khắc phục vấn đề này, mạng R-C gồm R4 và C1 như minh họa trong Hình 2 được sử dụng để hiệu chỉnh sự mất ổn định của vòng điều khiển, đặc biệt trong điều kiện cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi.

Đối với các tấm pin năng lượng mặt trời có công suất thấp, nên sử dụng tụ C1 có giá trị điện dung cao hơn, trong khoảng từ 100 μF đến 1000 μF, để đảm bảo MPPT hoạt động ổn định.

3. Pin lithium-ion dự phòng

Bộ sạc pin LTC4162 hỗ trợ cấu hình tối đa tám cell lithium-ion mắc nối tiếp (8S) và có nhiều phiên bản được tối ưu hóa cho các loại hóa học pin khác nhau: LTC4162-L dành cho pin lithium-ion, LTC4162-F dành cho pin lithium iron phosphate (LiFePO4) và LTC4162-S dành cho pin chì-axit.

Trong thiết kế này, chúng tôi triển khai khả năng hỗ trợ cấu hình tối đa 4S (từ 1S đến 4S) đối với các cell lithium-ion mắc nối tiếp như được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1. Cài đặt cấu hình pin

Cấu hình này được xác định thông qua các chân CELLS1 và CELLS0 theo bảng ánh xạ được cung cấp trong Bảng 1.

4. Bộ điều chỉnh chuyển mạch

Đầu ra của LTC4162-L sau đó được điều chỉnh thông qua bộ điều chỉnh chuyển mạch buck-boost đồng bộ.

LTC3115-1 là bộ chuyển đổi DC-to-DC buck-boost đồng bộ đơn chip (monolithic) có hiệu suất cao, được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu dải điện áp đầu vào rộng và độ nhiễu thấp.

Thiết bị hoạt động trong dải điện áp từ 2,7 V đến 40 V và có khả năng cung cấp dòng điện liên tục lên đến 2 A. Bộ điều chỉnh chuyển mạch này cũng hỗ trợ điện áp đầu ra có thể lập trình, chuyển đổi liền mạch giữa chế độ buck và boost, cùng các tính năng bảo vệ mạnh mẽ, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và thiết bị chạy bằng pin.

LTC3115-1 được lựa chọn cho thiết kế này nhờ hiệu suất cao và khả năng hoạt động với độ nhiễu thấp. Bộ chuyển đổi có thể cung cấp dòng điện lên đến 2 A khi điện áp đầu vào lớn hơn 6 V và 1 A khi điện áp đầu vào lớn hơn 3,6 V, giúp thiết bị thích ứng tốt với các điều kiện nguồn điện thay đổi.

Đối với tất cả các cấu hình pin (1S, 2S, 3S và 4S), chức năng khóa khi điện áp thấp (Undervoltage Lockout – UVLO) được cấu hình thông qua đầu nối như minh họa trong Hình 2 (đầu nối J5).

5. Đầu ra USB Type-C

Đầu ra được cấu hình sử dụng USB Type-C ở chế độ không hỗ trợ Power Delivery (non-PD) để sạc các thiết bị di động yêu cầu điện áp đầu ra được điều chỉnh ở mức 5 V với dòng điện lên đến 2 A. Bảng 2 mô tả lựa chọn giá trị điện trở cho các mức dòng điện nguồn khác nhau của cổng USB.

Bảng 2. Dòng điện nguồn của USB Type-C không hỗ trợ PD

Hiệu suất của thiết kế một bo mạch

Bo mạch được thiết kế đặc biệt dưới dạng PCB 4 lớp nhằm đảm bảo hoạt động ổn định, ít nhiễu và hiệu quả như minh họa trong Hình 3.

Cấu trúc xếp lớp (stack-up) của PCB là SIG/Power – GND – GND – SIG/Power, đồng thời tuân theo các khuyến nghị trong datasheet về vị trí bố trí linh kiện của từng IC.

Bo mạch nhận nguồn từ hai đầu vào V1 và V2, được sử dụng để sạc pin và cấp nguồn cho tải. Nếu nguồn điện chính gặp sự cố, tấm pin năng lượng mặt trời sẽ tiếp quản khi cường độ ánh sáng đủ cao, đồng thời cấp nguồn cho tải và sạc pin.

Vào ban đêm hoặc khi cường độ ánh sáng mặt trời yếu khiến điện áp của tấm pin giảm xuống, hệ thống sẽ tự động phát hiện tình trạng này và chuyển sang sử dụng nguồn từ pin để duy trì hoạt động của tải.

‍

Với cấu hình pin 1S, nếu điện áp pin giảm xuống dưới 3,3 V, LTC3115-1 sẽ tự động tắt để bảo vệ pin bằng cách kích hoạt chức năng UVLO. Cơ chế này giúp ngăn ngừa hiện tượng xả quá sâu (deep discharge), vốn có thể làm hỏng pin hoặc làm giảm tuổi thọ của pin.

Ngưỡng UVLO có thể được tinh chỉnh cho từng cấu hình pin bằng cách thay đổi giá trị các điện trở R7, R19, R27 và R21. Việc này có thể được thực hiện bằng công thức UVLO trong datasheet của LTC3115-1. Nhờ đó, giới hạn điện áp tối thiểu có thể được thiết lập xuống thấp tới 3,0 V, tùy theo yêu cầu của ứng dụng.

Để bảo vệ mạch khỏi việc kết nối pin sai cực, chức năng bảo vệ ngược cực được triển khai bằng diode D3 và cầu chì FUSE1.

Ngoài ra, đầu vào còn được bảo vệ khỏi tình trạng điện áp ngược nhờ các diode thân (body diode) của các MOSFET Q1, Q4 và Q3, đóng vai trò như một hàng rào ngăn dòng điện chạy theo hướng không mong muốn.

Đặc tính động của hệ thống khi tải thay đổi được thể hiện thông qua đáp ứng bước (step response) và đáp ứng quá độ (transient response) như minh họa trong Hình 4. Các kết quả này cho thấy hiệu suất của vòng điều khiển và hiệu quả của mạng bù đã được áp dụng trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau.

Hình 5 minh họa đặc tính chuyển đổi ưu tiên của đầu ra LTC4416 khi V1 giảm từ mức điện áp cao xuống 15 V. Đầu ra của thiết bị chuyển đổi liền mạch sang V2 ở mức 8 V, đảm bảo tải đầu ra không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điện áp. Trong khi đó, điểm khôi phục của V1 được thiết lập ở mức 16,8 V.

So sánh các bo mạch demo xếp chồng với thiết kế một bo mạch

Phần này trình bày so sánh toàn diện giữa cấu hình nguyên mẫu sử dụng nhiều bo mạch demo và giải pháp mới được phát triển trên một bo mạch duy nhất.

Trong nguyên mẫu, thiết kế sử dụng ba bo mạch demo riêng biệt: LTC4416 để điều khiển đường dẫn nguồn bằng diode lý tưởng, LTC4162-L để sạc pin và quản lý nguồn, và bo mạch sạc USB CN0509.

CN0509 đặc biệt nổi bật nhờ dải điện áp đầu vào rộng từ 5 V đến 100 V và khả năng cung cấp điện áp đầu ra 5 V được điều chỉnh với dòng điện lên đến 2 A. Bo mạch này kết hợp bộ chuyển đổi buck LTC7103 và bộ chuyển đổi flyback cách ly LT8302 để tạo cách ly galvanic giữa đầu vào và đầu ra.

Ngược lại, thiết kế một bo mạch tích hợp các chức năng này bằng cách thay thế LTC7103 và LT8302 bằng một linh kiện duy nhất là LTC3115-1.

Việc chuyển sang cấu trúc này nhằm nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống, giảm kích thước vật lý và giảm chi phí danh mục linh kiện (Bill of Materials – BOM). Mặc dù một số tính năng như đầu ra cách ly đã được loại bỏ, sự đánh đổi này mang lại một thiết kế tinh gọn và thực tế hơn, phù hợp với các ứng dụng có khả năng mở rộng.

Kích thước bo mạch

Việc triển khai giải pháp một bo mạch giúp đơn giản hóa đáng kể thiết kế tổng thể của hệ thống bằng cách giảm số lượng linh kiện trong BOM khoảng 30% và giảm kích thước vật lý như minh họa trong Hình 6.

‍

Ngoài ra, thiết kế nhỏ gọn của giải pháp một bo mạch góp phần tạo ra kiến trúc hệ thống nguồn hiệu quả hơn. Bằng cách tích hợp nhiều chức năng vào một nền tảng thống nhất, thiết kế tiết kiệm không gian hơn, cho phép tạo ra các sản phẩm có kích thước nhỏ hơn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất.

Điều này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng mà không gian bị hạn chế, chẳng hạn như thiết bị điện tử di động.

Hiệu suất

Một trong những cải tiến đáng kể nhất của bo mạch này là khả năng cung cấp công suất với hiệu suất cao. Việc tối ưu hóa quá trình cung cấp điện giúp giảm tổn hao năng lượng, từ đó hỗ trợ thời gian hoạt động lâu hơn và cải thiện đặc tính nhiệt.

Hiệu suất cao đặc biệt có giá trị đối với các thiết bị chạy bằng pin, trong đó việc tiết kiệm năng lượng trực tiếp góp phần kéo dài thời gian sử dụng và tuổi thọ chu kỳ của pin.

Bằng cách giảm thiểu năng lượng bị lãng phí và tối đa hóa mức sử dụng năng lượng, giải pháp một bo mạch đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất hệ thống.

Hình 7 cho thấy giải pháp một bo mạch đạt hiệu suất cực đại 92,94% tại điện áp đầu vào 8 V và 91% tại 10 V. Trong khi đó, bo mạch demo xếp chồng trong nguyên mẫu chỉ đạt hiệu suất cực đại 73,79% tại điện áp đầu vào 10 V.

Hiệu suất thấp của bo mạch demo xếp chồng trong nguyên mẫu chủ yếu là do tổn hao năng lượng trên các dây cáp dùng để kết nối nhiều bo mạch, cũng như tổn hao trong phần bộ chuyển đổi flyback.

‍

Khi cả hai nguồn đầu vào đều gặp sự cố, pin sẽ tự động cấp nguồn cho tải. Với cấu hình pin 2S có điện áp danh định 7,4 V, giải pháp một bo mạch đạt hiệu suất cực đại 94,52%, so với 77,12% của bo mạch demo xếp chồng trong nguyên mẫu.

Điều này cho thấy thiết kế một bo mạch có khả năng sử dụng năng lượng từ pin hiệu quả hơn trong quá trình hệ thống hoạt động, như thể hiện trong Hình 7.

Đối với giải pháp một bo mạch đã được tối ưu hóa, dòng điện đầu ra tối đa 2 A có thể đạt được với điện áp đầu vào từ 6 V, trong khi ở bo mạch nguyên mẫu trước đây, dòng điện tối đa 2 A chỉ đạt được khi điện áp đầu vào từ 12 V, như thể hiện trong Hình 7.

Kết luận

Một giải pháp pin dự phòng tích hợp trên một bo mạch có kích thước nhỏ gọn đã được phát triển sử dụng các linh kiện của ADI.

Thiết kế được cải tiến này có cấu trúc tinh gọn hơn, giúp nâng cao hiệu suất tổng thể và giảm kích thước vật lý. Kiến trúc có tính linh hoạt và khả năng thích ứng cao, phù hợp với nhiều ứng dụng liên quan đến các thiết bị chạy bằng pin.

Thiết kế hỗ trợ quản lý đường dẫn nguồn thông minh, góp phần kéo dài tuổi thọ của pin.

Khái niệm thiết kế này có thể được ứng dụng trong các hệ thống ô tô nhúng (embedded automotive systems) để kết hợp nguồn đầu vào quang điện (photovoltaic) với các nguồn cấp điện khác và hệ thống pin dự phòng trong sản xuất quy mô lớn.

Trong những cấu hình như vậy, có thể sử dụng các sản phẩm ADI dành cho ứng dụng công suất cao như LTC4020.