Что за сигнал vdc в ноутбуке
Перейти к содержимому

Что за сигнал vdc в ноутбуке

  • автор:

VDC-off — что это на Инфинити?

VDC (Vehicle Drive Control) — система динамического контроля, предназначена для работы в сложных условиях езды. Суть: если машина застряла в снегу или грязи, то система снижает выходную мощность двигателя до уровня вращения колес. Мощность двигателя будет меньше, даже если втопить педаль в пол.

Поэтому вывод такой: чтобы была мощность максимальная, нужно отключить, после чего загорится на панели значок VDC-off. А чтобы включить, то нужно нажать снова, и потом повернуть ключ в положение ON.

В общем суть — ограничение мощности, без VDC машина будет более резвой, например для зимы это не очень хорошо (просто опасно).

Но не все так просто: если включить VCD, то машина будет сама понимать, когда нужно сбрасывать обороты. Например зимой при включенном VDC, если вы нажмете педаль газа, то машина тронется, но быстро сработает VDC — при пробуксовке колес автоматически обороты снизятся, разгон разумеется тоже станет меньшим.

Если нужен драйв — можно отключить систему, но включение повысит безопасность.

При отключенной системе — нет антипробуксовки, стабилизации, курсовой устойчивости, антизаноса. ABS при этом будет работать.

Кстати походу функция присутствует и на других машинах, например Subaru Legacy.

Один человек сказал что реально помогает, особенно в экстремальных ситуациях, когда занос еще не чувствуется, но уже начинается.

Схема расположения компонентов VDC и дополнительных систем:

Иногда на панели может гореть сразу VDC и VDC-off, попробуйте завести двигатель, тогда погаснут или останется одно значение (которое задано).

Важно понимать, что VDC повышает безопасность, но она не предотвращает ДТП. Это к тому, что все равно нужно соблюдать осторожный стиль езды, особенно зимой.

Также у вас может гореть VDC-off, когда раньше было включено. Например причина — небольшой удар, в следствии которого сбился G-сенсор.

Система может работать некорректно, если установлены левые амортизаторы (китайские), стойки подвески, пружины, стабилизаторы и прочее. Тоже самое касается и если детали изношены.

Еще VDC может неправильно работать на дороге с поперечным уклоном, например вираж с большим наклоном (активируется индикатор неисправности).

Удивительно, но оказывается что на японских авто система VDC вшита и не отключается, только через блок предохранителей.

Вот один человек написал как примерно работает система в Subaru:

В общем вывод можно сделать такой: VDC улучшает безопасность езды, однако снижает динамику машины. В плане расхода топлива, пишут что более чем 0.5 литра разницы нет. Для зимы более чем желательно включать, а летом можно и отключить, если хочется драйва.

МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Зарядные устройства ноутбуков. Основы функционирования и схемотехники. (Часть II).

E-mail Печать

автор и преподаватель курса «Ремонт ноутбуков и нетбуков»

Продолжаем знакомить наших читателей со схемотехникой зарядных устройств ноутбуков.

Первая часть статьи

Цепь питания Charger’а

Про цепь питания долго говорить не придется, так как в этих цепях ничего особенного и интересного нет. Питающее напряжение Charger-контроллеров обычно находится в диапазоне 7. 28 Вольт. Но, как мы понимаем, в реальных схемах в качестве питающего используется напряжение сетевого адаптера +19V. Это напряжение подается на вход, обозначаемый обычно DCIN. Для фильтрации питающего напряжения, между входом DCIN и «землей» устанавливается конденсатор емкостью от единиц до нескольких десятков микрофарад (рис.1).

charger_2_1

Рис.1 Типовая конфигурация цепи питаняи Charger-контроллера ноутбука

В цепи питания Charger’а очень часто устанавливается токоограничивающий резистор, номиналом примерно 10. 20 Ом. Кроме того, в целом ряде практических схем применяются диоды, предотвращающие протекание обратного тока через микросхему Charger’а в ситуации, когда будет перепутана полярность питающего напряжения.

Напряжение, прикладываемое к контакту DCIN, подается на внутренний линейный регулятор напряжения (LDO), который необходим для формирования питающего низковольтного напряжения для всех элементов микросхемы Charger’а. На выходе LDO формируется такое напряжение, которое определил разработчик микросхемы. Это может быть 3.3V(как в BQ24745), это может быть 5V (как в ISL6255), это может быть 5.4V (как в MAX1909). Во многих контроллерах это стабилизированное низковольтное напряжение выводится на один из выходных контактов, обозначаемых, чаще всего, LDO (в микросхемах ISL625x этот контакт принято обозначать VDD).

Целый ряд Charger’ов кроме LDO имеют в своем составе еще и источник опорного напряжения, которое также может выводиться на один из контактов микросхемы. Подобный контакт будет иметь наименование REF или VREF. Величина такого опорного напряжения может быть любой, и это следует уточнять в описании на микросхему Charger-контроллера. В качестве примера применения в микросхеме как интегрального LDO, так и дополнительного источника опорного напряжения, можно привести MAX1909 (рис.2)

charger_2_2

Рис.2 В состав Charger-контроллера может быть интегрирован, как линейный стабилизатор, так и источник опорного напряжения

Особенностью интегрированных источников питания является то, что для их запуска, как правило, не требуется никаких управляющих сигналов. Они начинают функционировать сразу же, как только на входе DCIN появляется номинальное напряжение. Именно эта особенность может быть положена в основу диагностики микросхемы Charger’а. Для такой диагностики потребуется только лишь вольтметр, с помощью которого следует сделать два-три измерения напряжений. Нужно только знать цоколевку микросхемы. Отсутствие необходимых напряжений, или их несоответствие номиналам, явно указывает на неисправность Charger-контроллера.

Но, все-таки, алгоритм запуска LDO и/или источника опорного напряжения следует уточнять в описании микросхемы. Имеются такие Charger’ы, в которых LDO-регуляторы запускаются только при наличии сигнала детектора сетевого адаптера ACIN. В качестве такого примера можно назвать BQ24727.

Выбор источника питания системы

Напомним, что ноутбук может работать, либо от аккумуляторной батареи, либо от сети (через сетевой адаптер). Функцией зарядного устройства, кроме прочих, является выбор источника энергии для формирования, так называемого системного напряжения, часто обозначаемого VDC. И логика выбора здесь очень простая:

  • если ноутбук подключен к питающей сети, то именно этот источник энергии и следует выбрать, отключившись от аккумулятора;
  • если же питающая сеть не обнаружена, то необходимо перейти на питание от внутреннего аккумулятора ноутбука.

charger_2_3

Рис.3 Схема выбора источника питания в ноутбуке

Классическим решением для обеспечения этой функции является использование двух ключей, работающих инверсно друг относительно друга (рис.3). Открывание ключа Q1 должно автоматически приводить к закрыванию Q2 , и наоборот. Управление этими ключами, естественно, возложено на микросхему Charger-контроллера.

Рассмотрим, как эта функция реализована в контроллере, входящем в семейство MAX1909 / MAX8725. Схему выбора источника питания на основе такого контроллера мы представили на рис.4. В качестве ключей традиционно используются P-канальные полевые транзисторы, назовем их PDL и PDS . Транзистор PDL является ключом между нагрузкой (системой) и батареей. Транзистор PDS является ключом между сетевым напряжением и нагрузкой. Другие производители Charger’ов эти ключи и контакты, управляющие ключами, могут обозначать и по-другому, например:

  • SGATE и BGATE (в ISL6255);
  • ACFET и BATFET (в описаниях charger’ов BQ2474x)
  • ACDRV и BATDRV и т.п.

charger_2_4

Рис.4 Схема выбора источника питания, реализованная на контроллере MAX8725 / MA1909

Если на входе ноутбука детектируется наличие «сетевого» напряжения, например, +19V, то батарею необходимо изолировать от системной нагрузки, отключением транзистора PDL. При этом транзистор PDS, естественно, должен включиться, подав питание +19V в систему.

Если сетевой адаптер отсутствует, контроллер MAX1909 должен переключить транзисторы PDL и PDS в противоположные состояния, в результате чего в систему будет подано, например, +12V. При этом транзистор PDL открывается через 7.5 мкс после того, как закрывается PDS.

Внутренняя схема управления выходными сигналами PDS и PDL в контроллере MAX1909 представлена на рис.5. Анализ этой схемы показывает, что выбор между ключами PDL и PDS осуществляется путем сравнения входных сигналов BATT и DCIN.

charger_2_5

Рис.5 Внутренняя архитектура цепи выбора источника питания контроллера MAX1909/MAX8725

Сигнал BATT является не чем иным, как напряжением аккумуляторной батареи. Уровень этого сигнала показывает, насколько заряжен аккумулятор, и какое выходное напряжение он способен поддерживать. Низкий уровень сигнала BATT говорит о том, что аккумулятор разряжен, а полное отсутствие этого сигнала говорит, либо об отключении аккумулятора, либо о его полной неисправности.

Сигнал DCIN, напомним, является входным питающим напряжением микросхемы Charger-контроллера. Это напряжение, фактически, берется от сетевого адаптера, и поэтому прямопропорционально величине +19V.

Итак, если разница в напряжениях DCIN и BATT становится менее 100 mV, контроллер должен закрыть транзистор PDS и открыть транзистор PDL. Дело в том, что малая разница между этими сигналами говорит о значительном снижении напряжения сетевого адаптера, т.е. говорит о его отключении. Переключив ноутбук на питание от аккумулятора, Charger MAX1909 полностью выключается, чтобы не создавать лишнюю нагрузку для аккумулятора. При этом транзистор PDL необходимо удерживать в открытом состоянии. Для этого внутри контроллера имеется шунтирующий резистор номиналом 100 кОм, который и осуществляет «подсаживание» затвора транзистора PDL, обеспечивая его открытое состояние в следующих ситуациях:

  • когда отсутствует напряжение сетевого адаптера;
  • когда срабатывает тепловая защита батареи;
  • когда Charger выключается управляющим контроллером ноутбука (южным мостом или контроллером EC/KBC).

Драйверы, формирующие сигналы PDS и PDL полностью интегрированы в микросхему. Положительное смещение, необходимое для запирания ключей, подается на эти драйверы через вывод, обозначаемый SRC. В реальных схемах на этот контакт подается системное напряжение VDC.

Несмотря на обязательность наличия транзисторов, выбирающих источник энергии, не все существующие Charger-контроллеры формируют сигналы управления этими ключами. Если контроллером не предусмотрено формирование сигналов, аналогичных рассмотренным выше PDS и PDL, управление транзисторами организуется внешними каскадами с помощью сигнала ACOK. Напомним, что ACOK является сигналом детектора сетевого питания, активизирующимся в тот момент времени, когда на входе ноутбука обнаруживается напряжение сетевого адаптера (VIN). Этот сигнал вполне можно «приспособить» для управления коммутирующими транзисторами.

В качестве примера такого Charger-контроллера, можно привести микросхему BQ24745. На выходе этого контроллера нет сигналов, аналогичных PDS и PDL. Имеется только сигнал ACOK. В качестве практического варианта применения этого контроллера на рис.6 приводим в сокращении часть схемы зарядного устройства ноутбука Dell Inspirion 15R (N5110).

charger_2_6

Рис.6 Схема выбора источника питания ноутбука Dell Inspiron R15, реализованная на контроллере BQ24745

Для представленной схемы рассмотрим два состояния: отсутствие и наличие сетевого адаптера, формирующего напряжение +19V, которое на схеме означено AD+.

1) Когда сетевой адаптер не подключен, напряжение AD+ равно нулю. Питание осуществляется от аккумулятора, формирующего напряжение BT+, которое прикладывается к стоку транзистора PU4003. Через внутренний диод этого транзистора напряжение BT+, равное примерно +12V подается на исток PU4003. В результате, транзистор PU4003 открывается, т.к. напряжение его затвора (AD+=0V) становится меньше напряжения истока. Через открытый PU4003 напряжение аккумулятора BT+ начинает подаваться в систему (системное напряжение DCBATOUT). Это же напряжение DCBATOUT прикладывается и к истоку, и к затвору транзистора PU4002. При этом напряжения истока и затвора практически равны друг другу, т.к. транзистор PQ4001 закрыт. Все это обеспечивает закрытое состояние PU4002.

2) Когда к ноутбуку подключается сетевой адаптер, напряжение AD+ сразу же становится +19V. Это напряжение прикладывается к затвору транзистора PU4003. А так как на истоке этого транзистора установлено напряжение BT+, равное +12V, транзистор закрывается (напряжение затвора стало больше напряжения истока). Следует отметить, что через внутренний диод транзистора PU4002 напряжение AD+ прикладывается к истоку транзистора PU4002, в результате чего на истоке устанавливается 19V. Одновременно, на выходном контакте ACOK (конт.13) Charger-контроллера PU4001 формируется сигнал высокого уровня, которым открывается транзистор PQ4001. Открывание PQ4001 приводит к формированию на затворе транзистора PU4002 напряжения, меньшего, чем на его истоке. В результате, PU4002 открывается, и в систему подается напряжение DCBATOUT номиналом +19V.

При обсуждении ключей, осуществляющих выбор источника питания, следует обратить внимание на еще одно схемотехническое решение, которое часто реализуется в ноутбуках.

Управление ключами при калибровке батарей

Во многих ноутбуках реализована функция калибровки аккумуляторных батарей, позволяющая определить время, в течение которого батарея может поддерживать ноутбук в рабочем состоянии (так называемый RunTime). Цикл калибровки предполагает отключение батареи от зарядного устройства, и перевод ноутбука на работу от аккумулятора. При этом включается таймер, начинающий отсчет времени автономной работы ноутбука. Батарея, естественно, начинает разряжаться. Когда батарея полностью разрядится, зарядное устройство переключается в режим работы от сети и начинает заряд аккумулятора. При этом полученное время автономной работы фиксируется в специальном отчете.

Процесс калибровки предполагает соответствующее управление транзисторами PDS и PDL. Такое управление может быть реализовано разными способами, но наиболее продвинутые и функциональные Charger-контроллеры имеют встроенную логику проведения калибровки. Мы предлагаем рассмотреть данную функцию на примере контроллера MAX8725/MAX1909.

Функция калибровки в MAX8725 запускается установкой в низкий уровень сигнала MODE, который кроме этой функции позволяет еще задавать тип аккумуляторной батареи (3-элементная или 4-элементная). Подача на контакт MODE низкого уровня приостанавливает работу зарядного каскада, закрывает транзистор PDS и открывает транзистор PDL. Однако режим калибровки требует изменения конфигурации ключа PDS.

charger_2_7

Рис.7 Конфигурация коммутирующих ключей зарядного устройства, поддерживающего функцию калибровки батарей

В схемах, предполагающих функцию калибровки, ключ PDS является двойным, т.е. он должен состоять из двух P-канальных транзисторов, у которых объединены истоки (рис.7). Оба транзистора должны открываться и закрываться одновременно, т.е. их затворы также должны быть объединены. Такое включение необходимо для того, чтобы предотвратить протекание тока от сетевого адаптера через внутренний диод MOSFET-транзистора.

Закрывание транзистора PDS (если он в схеме один) совсем не означает, что система не будет получать питание от сетевого адаптера. Так как напряжение аккумулятора ниже сетевого, диод транзистора PDS оказывается в открытом состоянии, и выдает в систему напряжение +19V (рис.8). В результате, эти 19 Вольт могут прикладываться к аккумулятору через открытый PDL. Короче, ничего хорошего из этого не получится.

charger_2_8

Рис.8 При наличии сетевого адаптера ток протекает через внутренний диод транзистора PDS, если он один

Если обсуждать именно контроллеры MAX8725/MAX1909, то следует обратить внимание на то, что напряжение SRC (напряжение питания для драйверов PDS и PDL) должно браться с общей точки истоков двух транзисторов PDS. Такое решение гарантирует наличие питающего напряжения на SRC в любом возможном случае, а это в свою очередь, будет гарантировать надежное управление транзисторами.

Добавим еще несколько общих рассуждений на тему калибровки. Запуск калибровки должен сопровождаться особым предупреждением пользователя, т.к. эта процедура в обязательном порядке должна быть доведена до полного завершения. А именно, до окончания последующего заряда батареи после ее разряда. Если процедуру прервать до полного завершения зарада, то можно, в итоге, получить глубокий разряд аккумулятора, ведь даже выключенная система потребляет некоторое количество энергии. Если во время калибровки сетевой адаптер будет отключен, то микросхема MAX8725/MAX1909 оставит транзистор PDL в открытом состоянии. Если же, все-таки, калибровка была прервана, то необходимо в самые кратчайшие сроки подключить ноутбук к сети для заряда аккумулятора.

Если же во время калибровки была удалена батарея, то микросхема MAX8725/MAX1909 включает транзистор PDS и переводит ноутбук на питание от сетевого адаптера через 7.5 мкс после активизации сигнала отсутствия батареи.

Также следует отметить, что контроллер MAX1909 запрещает запуск калибровки, если батарея отсутствует, или если батарея глубоко разряжена.

Методики диагностирования Charger»ов на уровне сигналов и технологии компонентного ремонта — все это в учебном курсе «Профессиональный ремонт и обслуживание портативных компьютеров (ноутбуков и нетбуков)»

Ограничение входного тока

Одной из важнейших функций зарядного устройства является измерение тока, потребляемого системой от сетевого адаптера, а также управление этим током с целью его ограничения.

Ток, потребляемый ноутбуком от сетевого адаптера, расходуется на выполнение двух задач (рис.9):

  • на питание системы;
  • на заряд аккумулятора.

charger_2_9

Рис.9 Ток сетевого адаптера распределяется между системой и аккумуляторной батареей

Естественно, что мощность сетевого адаптера для ноутбука должна быть рассчитана таким образом, чтобы соответствовать этим двум потребителям. Но при этом разработчики адаптера должны будут учесть самое «неблагоприятное» стечение обстоятельств, когда аккумуляторная батарея сильно разряжена, а поэтому ее заряд осуществляется увеличенным током, и в этот же момент времени вычислительная система ноутбука начинает выполнение сложной задачи, что приводит к резкому увеличению энергопотребления микропроцессора и памяти. В результате, сетевой адаптер должен быть изготовлен с учетом максимально возможной мощности потребления ноутбука. Это, конечно же, приведет к увеличению его стоимости и увеличению его габаритов, ведь большая мощность источника питания обеспечивается применением мощных, а, значит, дорогих и габаритных радиоэлементов.

В противном случае, при недостаточной мощности сетевого адаптера, мы получим нестабильно работающую систему, которая может зависнуть и перезагрузиться в любой момент времени.

Но возможен другой вариант решения данной проблемы. И заключается он в управлении мощностью потребителей. Смысл такого управления состоит в том, чтобы попытаться ограничить максимальный ток потребления от сетевого адаптера, т.е. не допустить такой ситуации, при которой и ток системы, и ток заряда аккумулятора являются максимальными. А реализовать это возможно только одним способом — ограничением какого-то из этих двух токов.

Приоритетом по энергопотреблению пользуется система, т.к. ограничение ее мощности будет приводить к снижению производительности и к неустойчивой работе. В то же самое время, заряд аккумулятора – процесс достаточно длительный, и некоторое снижение зарядного тока в редкие моменты времени, не скажется на работе батареи, по крайне мере, в заметной степени.

Получается, что если ток сетевого адаптера становится слишком большим (превышает заранее установленное пороговое значение), то начинается ограничение тока заряда батареи с целью стабилизации суммарного тока адаптера. Такое ограничение осуществляется пропорционально увеличению системного тока, вплоть до того, что ток зарядного устройства может уменьшиться до нуля (рис.10).

charger_2_10

Рис.10 Возможные алгоритмы функционирования зарядного устройства с технологией Dynamic Power Management

Весь этот алгоритм управления реализован в рамках системы динамического управления питанием – Dynamic Power management – DPM . Поддержка DPM является встроенной функцией большинства современных микросхем Charger-контроллеров.

Реализация технологии DPM позволяет снизить пиковые токи сетевого адаптера, а поэтому при разработке и проектировании сетевого адаптера можно ориентироваться не на максимальное, а на среднее энергопотребление. Другими словами, технология DPM позволяет «сглаживать» пиковые потребления мощности, приводя их к среднему значению.

Для реализации функции DPM зарядное устройство должно быть оборудовано датчиком входного (полного) тока. В качестве такого датчика используется резистор с очень малым сопротивлением – обычно его номинал составляет 10. 20 мОм. Падение напряжения на этом резисторе прямопропорционально току, потребляемому совместно системой и зарядным устройством (рис.11). Это падение напряжения измеряется Charger’ом. И если напряжение токового датчика превышает установленное значение, то Charger-контроллер прекращает управлять силовыми ключами зарядного устройства, полностью закрывая их, или начинает автоматически ограничивать ширину импульсов, управляющих транзисторами зарядного устройства.

charger_2_11

Рис.11 Общая конфигурация системы контроля входного тока ноутбука

Реализация схем токового ограничения может весьма заметно отличаться в контроллерах разных производителей. Мы выделим два основных подхода к измерению тока Charger-контроллерами. При измерении и ограничении тока ключевым моментом является формирование опорного уровня, задающего максимальное значение тока, т.е. контроллеру необходимо указать тот порог, превышение которого недопустимо. Напряжение, снимаемое с токового датчика, сравнивается контроллером с этим опорным значением.

В настоящее время существует два варианта построения схемы контроля тока:

Разумно предположить, что в настоящее время наблюдается тенденция к переходу на цифровое измерение тока адаптера. Разница между двумя этими подходами заключается в том, каким образом задается порог ограничения.

В первом случае, это осуществляется с помощью резистивных делителей, изменяющих уровень опорного сигнала на соответствующем входе контроллера. Этот вход является одним из контактов внутреннего компаратора Charger’а.

Во втором случае, порог ограничения записывается во внутренний цифровой регистр контроллера в виде двоичного значения. Запись в регистр осуществляется по шине SMBus.

Аналоговый контроль тока системы

Сначала мы обсудим классический вариант контроля тока, предполагающий использование аналоговой схемы. В качестве базы для рассмотрения, мы, опять же, обратимся к контроллеру MAX8725.

charger_2_12

Рис.12 Схема контроля и ограничения входного тока на базе контроллера MAX1909/MAX8725

Токовый датчик включается между контактами контроллера, обозначаемыми CSSN и CSSP. Напряжение токового датчика, фактически, является дифференциальным сигналом. Необходимо измерять именно падение напряжения на контактах токового датчика, т.е. насколько отличается потенциал одного контакта резистора от другого. Поэтому внутри контроллера устанавливается схема дифференциального усилителя и схема сдвига уровней.

Далее полученный сигнал, пропорциональный напряжению на токовом датчике, подается на вход усилителя ошибки, который сравнивает его с опорным напряжением, сформированным на контакте CLS. Разность этих двух сигналов будет управлять ШИМ-контроллером, формирующим сигналы для зарядного устройства. На вход CLS в реальных схемах подается напряжение, полученное делением опорного REF. Частотная компенсация усилителя ошибки обеспечивается цепью, подключаемой к контакту CCS.

Величина тока адаптера задается на этапе проектирования схемы, и не должна изменяться. Поэтому делитель напряжения является фиксированным.

Интересной особенностью MAX8725/MAX1909 является то, что микросхема на одном из своих выходов (IINP) формирует аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна измеренному току. Этот сигнал может использоваться для информирования чипсета ноутбука о величине потребляемого тока. В частности в реальных схемах, этот сигнал подается на аналоговый вход микросхемы EC-контроллера.

(Продолжение следует)

МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Зарядные устройства ноутбуков. Основы функционирования и схемотехники. (Часть I).

E-mail Печать

автор и преподаватель курса «Ремонт ноутбуков и нетбуков»

Зарядные устройства, обозначаемые на схемах, как Charger, являются ключевым звеном в процессе запуска ноутбука.Название «зарядное устройство» совсем не означает, что оно используется только для заряда аккумулятора. Этим модулем формируется первичное напряжение, из которого затем вырабатываются все остальные напряжения, т.е. Сharger является одним из ключевых звеньев во всей системе энергообеспечения ноутбука. И поэтому неудивительно, что статистика неисправностей ноутбуков говорит о необходимости обсуждения схемотехники данного модуля.

В среде специалистов и пользователей ноутбуков так сложилось, что зарядными устройствами часто называют блоки питания, формирующие постоянное напряжение величиной примерно +19V. Это напряжение получают из сетевого переменного напряжения 220 Вольт путем импульсного преобразования. Но называть этот преобразователь, этот блок питания, зарядным устройством как-то не совсем корректно. К нему в большей степени подходит термин «сетевой адаптер».

Зарядное устройство (Charger) в ноутбуках выполняет, как правило, следующие основные функции:

  • формирование зарядного напряжения/тока для аккумуляторной батареи;
  • коммутацию «первичного» напряжения, необходимого для формирования всех системных напряжений;
  • информирование системных контроллеров о подключении сетевого адаптера;
  • автоматическое управление мощностью, потребляемой от сетевого адаптера (функция DPM) .

Упрощенную функциональную схему Charger’а мы попытались представить на рис.1.

charger1_1

Рис.1 Блок-схема зарядного устройства ноутбука

Формирование зарядного напряжения аккумулятора

Исходя из названия модуля, эта функция является его важнейшей функцией. Как известно, в аккумуляторных батареях ноутбуков, в настоящее время широко применяются литий-ионные аккумуляторы (LiOn). Номинальным напряжением одного литий-ионного элемента является 3.6 Вольт. На практике же, заряд этих элементов осуществляется напряжением 3.9 – 4.3 вольт/элемент. Также хорошо известно, что увеличение емкости батарей достигается последовательно-параллельным включением нескольких аккумуляторов.

charger1_2

Рис.2 Трехэлементная (3-Cell) батарея. Каждый элемент состоит из двух параллельно-включенных «банок». В результате получаем батерю типа «3S-2P»

Чаще всего, батарея образована тремя элементами (Cell’s), каждый из которых, в свою очередь, состоит из двух или трех параллельно-включенных «банок» (рис.2). Разумеется, что такие много-секционные батареи требуют увеличенного зарядного напряжения, величину которого очень легко подсчитать: необходимо напряжение заряда одного элемента умножить на количество элементов в цепочке. Таким образом, простая арифметика показывает, что для заряда 3-элементных батарей необходимо напряжение 11,7. 12,9 Вольт. Отличить 3-элементные батареи можно следующим образом:

  • во-первых, в прайс-листах реселлеров эти батареи могут быть обозначены, как 3-Cell;
  • во-вторых, по напряжению батареи – 3-х элементные аккумуляторы имеют выходное напряжение, равное 10.8 Вольт (иногда попадаются батареи с напряжением 11.1 Вольт). Еще раз обращаем внимание, что это лишь номинальные напряжения аккумуляторов, а на самом деле напряжение на них несколько выше, например, 12.6 Вольт.

Наряду с 3-Cell батареями, существуют и 4-х элементные аккумуляторы (рис.3). Эти батареи требуют зарядного напряжения величиной от 15.6 В до 17.2 В. Аккумуляторы этого типа в прайс-листах обозначаются, как 4-Cell, а их выходное напряжение, как правило, равно 14.4 В (но изредка попадаются батареи с выходным напряжением 14.8 Вольт).

charger1_3

Рис.3 Четырехэлементная (4-Cell) батарея. Каждый элемент состоит из двух параллельно-включенных «банок». В результате получаем батерю типа «4S-2P»

Кроме того, ряд ноутбуков позволяет работать как с 3-элементными, так и с 4-элементыми батареями, автоматически изменяя формируемое зарядное напряжение, в зависимости от типа подключенной батареи. Естественно, что Charger таких ноутбуков должен «уметь заряжать» батареи разных типов, формируя разное выходное напряжение и разные выходные токи.

Сетевой адаптер (блок питания), являющийся главным источником энергии для ноутбука, формирует постоянное напряжение номиналом 19 Вольт. А для заряда аккумуляторов, как мы видели, требуется меньшее напряжение. Поэтому в составе ноутбука присутствует зарядное устройство, формирующее напряжение соответствующего номинала, достаточное и необходимое для заряда батареи. Таким образом, фактически, Charger представляет собой понижающий DC-DC преобразователь импульсного типа, в котором могут быть реализованы и некоторые дополнительные функции. Например, такие как:

  • включение и выключение преобразователя по командам от управляющего контроллера;
  • контроль выходного тока, т.е. контроль тока, потребляемого аккумуляторной батареей в момент ее заряда;
  • контроль выходного зарядного напряжения, прикладываемого к аккумулятору, с целью его регулировки и стабилизации;
  • управление величиной зарядного тока;
  • определение подключения аккумуляторной батареи с целью предотвращения работы в режиме холостого хода и др.

Коммутация первичного напряжения

Источником энергии для ноутбука может являться либо сетевой адаптер, когда он подключен к питающей сети 220 Вольт, либо аккумуляторная батарея. В составе Charger’а имеются транзисторные ключи, которые коммутируются таким образом, чтобы на выходе Charger’а всегда присутствовало напряжение VDC, из которого затем формируются все необходимые для работы ноутбука напряжения. Это напряжение VDC является либо напряжением сетевого адаптера (т.е. напряжением 19В), либо напряжением от аккумулятора (например, 12 В).

Логика работы данной схемы очень простая. Если сетевой адаптер подключен и формирует напряжение 19В, то Charger на свой выход начинает транслировать именно это напряжение. Если же напряжение сетевого адаптера не обнаружено, то происходит переключение на аккумуляторную батарею. Фактически, схема коммутации первичного напряжения представляет собой два ключа и контроллер, анализирующий наличие входного напряжения 19В (рис.4).

charger1_4

Рис.4 Принцип выбора «первичного» источника энергии для питания ноутбука

К функциям входных коммутаторов, можно отнести и функцию контроля входного тока. Для этого в схему Charger’а вводится цепь измерения тока, традиционно состоящая из токового датчика, в виде низкоомного резистора. Эта цепь позволяет измерять величину тока, потребляемого источниками питания ноутбука от сетевого адаптера, т.е. позволяет измерять ток в канале 19V. Величину входного тока анализирует контроллер зарядного устройства, и, если измеренное значение превышает заданную величину, контроллер зарядного устройства закрывает входной ключ канала 19V. Такая защита позволяет исключить работу сетевого адаптера в случае коротких замыканий при неисправностях в питающих каскадах ноутбука.

Информирование о подключении сетевого адаптера

Эта функция тесно связана с предыдущей. Если контроллер Charger’а обнаружил наличие напряжения 19В от сетевого адаптера, то он не только переключает ноутбук на работу именно от этого напряжения, но и «сообщает» об этом контроллеру клавиатуры — KBC (EC) или «южному мосту» посредством генерации сигнала, часто обозначаемого на схемах, как ACOK. Активность сигнала ACOK приводит к тому, что зарядное устройство запускается и начинается зарядка аккумуляторной батареи, а, кроме того, выводится соответствующая индикация режима работы ноутбука.

nout1

Сделав краткий обзор общих принципов функционирования Charger’а, переходим к рассмотрению схемотехнических решений, положенных в основу построения зарядных устройств.

Центральным элементом любого Charger’а является микросхема-контроллер, набор функциональных возможностей которого может быть очень широким. Однако для построения Charger’а могут быть использованы и достаточно примитивные контроллеры.

В некоторых, уже достаточно старых, моделях ноутбуков в качестве микросхем контроллеров зарядного устройства приходилось встречаться с такой микросхемой общего применения, как TL494 (специалисты, которые занимались системными блоками питания AT и ранними ATX, с этой микросхемой должны быть очень хорошо знакомы). Естественно, что такое решение отличается достаточно громоздкой схемотехникой и сложностью реализаций даже самых простых функций. Поэтому о подобных схемах следует говорить, как об экзотике, и брать их за пример для обсуждения не стоит.

В настоящее время существует целый ряд специализированных микросхем, разработанных исключительно для применения в ноутбуках и именно в качестве Charger’а. Микросхемы этого класса выпускаются, в основном, такими производителями, как Maxim, Intersil, Fujitsu Electronics, Texas Instruments (семейство BQ). Интегрированные Charger’ы позволяют значительно упростить разработку схемы зарядного устройства и снизить ее габариты. Кроме того, такие контроллеры «нагружены» большим количеством дополнительных функций, о которых говорилось в начале статьи. В результате, в современных ноутбуках повсеместно применяются интегральные Charger’ы, и схемотехника всего зарядного устройства определяется типом и функциональными характеристиками именно этой микросхемы.

Так как микросхем интегральных Charger’ов сейчас достаточно много, то и различных вариантов построения зарядного устройства тоже хватает. Однако, несмотря на все разнообразие схем зарядных устройств и применяемых в них контроллеров, постараемся выделить и охарактеризовать их основные элементы.

Детектор сетевого адаптера

Определение входного питающего напряжения, формируемого сетевым адаптером, относится к основным функциям Charger’а. Практически во всех современных микросхемах Charger’ов эта функция является внутренней, и для ее реализации имеется отдельный контакт, на который подается напряжение, пропорциональное уровню входного напряжения 19VDC, формируемого адаптером. В наименовании этого контакта чаще всего встречается аббревиатура «AC» (например, ACIN или ACSET и т.п.), указывающая на то, что данным сигналом детектируется подключение ноутбука к питающей сети переменного тока.

charger1_5

Рис.5 Детектор сетевого адаптера

Детектор сетевого адаптера представляет собой делитель напряжения и компаратор, интегрированный в микросхему Charger’а (рис.5). На вход детектора подается напряжение +19V, которое резистивным делителем уменьшается до напряжения, допустимого для входа микросхемы, например, до 5 Вольт или до 2.5 Вольт. Далее, внутри микросхемы это напряжение сравнивается с внутренним опорным напряжением, номинал которого является уникальным для каждой микросхемы Charger’а (но обычно близок к уровню 1.2В или 2В). Компаратор осуществляет контроль входного напряжения ноутбука, т.е. не позволяет ноутбуку начать работу от адаптера при слишком низком питающем напряжении.

Схема детектора сетевого адаптера формирует сигнал, который мы условно назовем «ACOK». Активизация сигнала ACOK подтверждает, что обнаружено подключение сетевого адаптера, и что его напряжение соответствует рабочему диапазону. Сигнал ACOK, как правило, является выходом с открытым коллектором (стоком), а его уровень активности (высокий или низкий) определяется типом микросхемы Charger’а (рис.6). Сигнал ACOK подается на вход микросхемы ICH («южный мост») или на вход микросхемы управляющего контроллера, в качестве которого обычно используется KBC.

charger1_6

Рис.6 Выходной сигнал детектора может быть активен как высоким уровнем, так и низким

Выход с открытым коллектором/стоком предполагает «подтягивание» этого контакта к шине питания через ограничивающий резистор. Но откуда же возьмется «подтягивающее» напряжение, если ноутбук и все его элементы еще не начали свою работу?

Очень часто подтягивающее напряжение для выхода ACOK формируется самой микросхемой Charger-контроллера. В состав контроллера вводится линейный стабилизатор, формирующий постоянное напряжение из питающего напряжения микросхемы, т.е. из +19V, подаваемых на вход DCIN. Выход линейного стабилизатора часто обозначается как LDO (рис.7). Выходное напряжение этого линейного стабилизатора обычно равно +5 Вольт. В некоторых случаях в качестве «подтягивающего» напряжения для выхода ACOK используется опорное напряжение, также формируемое внутренним источником опорного напряжения, и обозначаемое VREF.

charger1_7

Рис.7 «Подтягивание» выхода с открытым стоком к логической единице. Источником напряжения является внутренний линейный стабилизатор LDO.

Напряжение +19V для детектора сетевого адаптера берется непосредственно с входного питающего разъема (см.рис.5), но в некоторых ноутбуках на входе зарядного устройства устанавливается ключ, открывающийся самостоятельно или Charger-контроллером в момент появления входного напряжения +19V (рис.8). Такой ключ можно рассматривать в качестве буферного элемента, выполняющего функцию защиты от всплеска напряжения и от влияния переходных процессов при подключении. Также этот ключ не позволит включиться схеме при недостаточном напряжении от адаптера, что можно рассматривать в качестве защиты от неисправности сетевого адаптера, хотя функция защиты от запуска ноутбука при неисправном адаптере, обычно реализована, компаратором сигнала ACIN. Ведь если входное напряжение ACIN будет меньше порогового напряжения компаратора, выходной сигнал ACOK не должен генерироваться.

charger1_8

Рис.8 Входной транзистор, открывающийся автоматически

Входной ключ Charger’а является полевым P-канальным транзистором. Чаще всего это AP4435 или его аналоги. В случае неисправности входного транзистора зарядного устройства и невозможности идентификации его маркировки, можно смело ставить именно AP4435. Следует отметить, что неисправность этого транзистора является одной из основных проблем Charger’а.

С другой стороны, нередки и схемы без входных транзисторных ключей. Однако современная схемотехника ноутбуков нацелена на применение входных транзисторных ключей, так как их наличие, кроме всего прочего, позволяет организовать дополнительные функции.

charger1_9

Рис.9 Реализация дополнительных защитных функций в Charger’е ноутбука Samsung NP-P55

В качестве примера такой дополнительной функции, можно привести схему «зарядника» ноутбука Samsung NP-P55 (рис.9). В этой схеме первоначальное открывание ключа обеспечивается резистивным делителем R516/R517, который создает на затворе транзистора Q2 напряжение, меньшее, чем на его истоке. Это и является условием открывания Q2. В результате, на стоке Q2 появляется напряжение VDC_ADPT, равное 19 Вольтам. Это напряжение используется для питания Charger-контроллера и формирования всех остальных напряжений ноутбука.

Кроме делителя, состоянием транзистора Q2 управляет еще и транзистор Q503. Открывание транзистора Q503 приводит к подаче на затвор транзистора Q2 напряжения от сетевого адаптера, т.е. напряжения на истоке и затворе выравниваются. Это приводит к запиранию Q2. Осталось выяснить, что же может привести к открыванию транзистора Q503.

Затвор транзистора Q503 управляется триггером, состоящим из транзисторов Q501 и Q502. Срабатывание триггера произойдет в случае открывания хотя бы одного из стабилитронов ZD500, ZD501 или ZD503. В свою очередь, эти стабилитроны открываются в случае значительного превышения напряжения в каналах 5V, 1.8V, 1.05V, 1.25V, 1.5V. Перечисленные напряжения питают процессор, чипсет, графический контроллер и память, и увеличение этих напряжений способно натворить много бед. Критическое превышение номинала этих напряжений может произойти только в случае пробоя транзисторных ключей в DC-DC преобразователях, формирующих эти напряжения из напряжения VDC.

Срабатывание триггера означает, что Q501 и Q502 оказываются открытыми, и это будет продолжаться до тех пор, пока на входе ноутбука будет присутствовать напряжение +19V. В этом случае, для повторного запуска ноутбука необходимо обязательно вынуть штекер сетевого адаптера, подождать некоторое время и снова подключить ноутбук к источнику питания.

Открытый триггер обеспечивает подачу на затвор Q503 низкого уровня, что приводит к открыванию Q503 и закрыванию Q2. В результате, 19V (VDC) перестает подаваться на DC-DC преобразователи и ноутбук выключается. Работа при повышенном напряжении основных элементов системы исключается.

Так как для работы детектора и его компаратора требуется наличие опорного напряжения, то, разумеется, необходимо обеспечить питанием микросхему Charger-контроллера. Питающим напряжением для микросхемы является все те же 19V от сетевого адаптера. Только эти 19 Вольт для обеспечения питания подаются на другой контакт, традиционно обозначаемый DCIN. Но об этом мы продолжить говорить уже в следующем номере нашего журнала.

Аналоговые и цифровые датчики — преимущества каждого вида

Сенсорное обнаружение берет начало в аналоговом мире, где желаемая информация представляет из себя постоянно меняющийся параметр. Обычно сигнал от чувствительного элемента усиливался, компенсировался и преобразовывался к линейному виду в соответствии с системой, для которой датчик был предназначен, и все действия производились в аналоговой форме. Начиная с середины 1990-х начался переход от аналоговой формы к цифровым протоколам, обработке сигнала и интерфейсам, и на сегодняшний день этот переход идет полным ходом. Скорость перехода приборов к аналого-цифровому преобразованию различается в зависимости от отрасли промышленности, но в настоящее время цифровые технологии являются преобладающими во многих сферах применения. Это не означает, что сегмент аналоговых преобразователей сократится и сойдет на нет, поскольку все еще существует много областей применения, для которых преимущества аналоговых преобразователей будут всегда перевешивать цифровой метод, к примеру, в средах с высоким уровнем электромагнитных/радиочастотных помех или в устаревших, но эксплуатирующихся в аналоговых системах.

Датчик давления с цифровым или аналоговым выходным сигналом

Цифровые и аналоговые датчики давления различаются технологией, интерфейсом, типом выходного сигнала. Компания KELLER разработала промышленный датчик давления, доступный как в цифровом, так и в аналоговом исполнении.

Обе версии обладают следующими преимуществами:

  • Выполняют функции измерения и передачи данных о давлении газа или жидкости в системах, трубах и резервуарах.
  • Механически идентичны и взаимозаменяемы.
  • Для преобразования давления в аналоговый сигнал напряжения используются гибкая мембрана, кремниевый тензодатчик и мост Уинстона.
  • Преобразование аналогового сигнала в цифровой для дальнейшей обработки с помощью электроники датчика.

На этом сходства версий заканчиваются. Далее будут описаны различия аналоговых и цифровых преобразователей не только в функциональном плане, но и по возможностям и преимуществам.

Аналоговый выход — непрерывно изменяющийся сигнал

В аналоговой версии датчика корректировка цифрового сигнала от встроенного аналого-цифрового преобразователя осуществляется несколькими способами. Коэффициенты калибровки применяются для подтверждения характеристик точности датчика. Затем с помощью температурной компенсации происходит корректировка сигнала. В завершение проводится калибровка нуля и шкалы для установки выходного сигнала в желаемом диапазоне в соответствии с серийным номером датчика. После этого сигнал снова конвертируется в аналоговый с помощью встроенного цифро-аналогового преобразователя, проходит через единичное усиление и отправляется к выходным контактам. Выходной сигнал постоянно меняется точно так же, как и давление, оказываемое на датчик. В устаревших технологиях, например, у тензодатчиков из фольги, сигнал корректируется резисторами, расположенными на печатной плате, на основе характеристик чувствительного элемента по давлению и температуре. С тех пор, как микропроцессоры и микросхемы начали становиться более компактными, многие из них были интегрированы в датчики давления, что привело к более высокой точности, лучшему конструктивному исполнению и, в отдельных случаях, к снижению затрат.

Аналоговый преобразователь давления 23SY имеет следующие типы выходных сигналов:

Выходной диапазон
Напряжение питания

Цифровой сигнал — вывод данных на языке ПК

Цифровая версия преобразователя предполагает применение различных схем компенсации при обработке сигнала. Обработанные данные в цифровом виде сохраняются в регистрах для последующей передачи в систему. Наиболее распространенным цифровым протоколом передачи данных, используемым для сенсоров и преобразователей, является Inter-Integrated Circuit (IIC или I2C). Эта техника связи разработана таким образом, чтобы датчик не передавал значения измерения давления системе до тех пор, пока не поступит запрос данных от контроллера. Поскольку необходимость получения данных от датчика носит периодический характер, датчик может уходить в «спящий режим» (режим пониженного энергопотребления) между запросами данных. Таким образом обеспечивается экономия энергии, что особо важно как при питании от батареи, так и при беспроводном применении.

Почти все цифровые преобразователи KELLER проводят измерение температуры. Информация о температуре является важной, так как используется для компенсации сигнала в целях обеспечения максимальной точности измерений. Датчик оцифровывает данные о температуре для дальнейшей компенсации и сохраняет их в регистр, к которому, в свою очередь, можно получить доступ также, как к значениям измерения давления. Результатом является наличие двух значений измерения от одного датчика. В целях повышения эффективности данные в цифровом виде сохраняются и передаются в шестнадцатеричном формате, но для удобства обзора в графиках и таблицах используется десятеричный формат.

Многие датчики KELLER, включая модель 23D, проводят измерение температуры с помощью моста Уинстона. Эта техника обеспечивает получение более точных данных о температуре среды, оказывающей давление на датчик, для компенсации показаний.

Сравнение характеристик аналоговых и цифровых преобразователей

В таблице ниже приведено сравнение основных технических характеристик и рабочих параметров аналоговых и цифровых преобразователей 23SY и 23D.

Параметр
Аналоговый
Цифровой
  1. ВПИ = верхний предел измерения
  2. N/A = нет данных
  3. N/S = не определено техническими условиями
  4. Диапазон зависит от P/N и конфигурации выхода

На общую точность измерений системы, использующей аналоговые датчики, могут влиять ошибки на выходе датчика, а также способ их устранения. В цифровых системах ошибки могут возникать при наличии вибраций, дрожания и проблем с разрешением.

Выбор подходящего датчика исходя из проектных характеристик

Наличие аналогового или цифрового преобразователя давления 23SY/23D значительно расширяет возможности для инженеров-проектировщиков. Принимая во внимание, что проект заказчика может предполагать наличие уникальных и редких параметров, соответствие им не будет являться проблемой для датчиков 23SY/23D, так как ряд модификаций включает в себя широкое многообразие различных стандартных версий преобразователя 23SY/23D и вероятность того, что одна из них будет подходить по характеристикам, оказывается высокой. В таблице ниже приведен список ключевых проектных характеристик и выбор для каждой из них.

Проектные характеристики (требования)
Аналоговый
Цифровой

Выбор аналогового датчика

В некоторых случаях условия задачи содержат особые требования, которые должны быть учтены при выборе аналогового или цифрового преобразователя. Хорошим примером является контроль давления в химических процессах на нефтеперерабатывающем заводе. В зависимости от планировки предприятия датчик давления может располагаться в разных местах, к примеру, очень далеко от системы управления, к которой он подключен; в таком случае требуется наличие длинного соединительного кабеля. Такие кабели могут быть подвержены электромагнитным и радиопомехам, а также электростатическим разрядам от соседних кабелей и оборудования. Эти электрические помехи могут подавлять или искажать аналоговый сигнал с высоким сопротивлением в кабеле.

Распространенной технологией для решения данной проблемы является метод передачи с высоким током и низким сопротивлением, невосприимчивого к источникам помех. Токовая петля 4-20 мА идеально подходит для решения этой задачи. Сигнал по давлению датчик использует для управления силой тока, получаемого от источника питания, расположенного в том же месте, что и система управления. При нулевом уровне сигнала значение силы тока равняется 4 мА, при максимальном уровне — 20 мА. Уровень сигнала, расположенный в границах этого диапазона, будет пропорционален соответствующему значению силы тока. Такая технология представляет собой идеальный способ решения проблем, связанных с электромагнитными и радиопомехами. В аналоговой версии 4-20 мА датчик давления 23SY может быть выполнен с 22 различными стандартными диапазонами давления (от давления разряжения до 1000 бар ВПИ).

Выбор цифрового датчика

Промышленность постепенно переходит к новой технологии IIoT — Интернету вещей или Индустрии 4.0. Основная идея состоит в том, чтобы с помощью датчиков обеспечить постоянный контроль каждого основного параметра промышленного процесса на производстве. Собранные данные передаются в центральный компьютер или облако, где происходит их обработка и дальнейшее хранение. Все процессы осуществляются в цифровом формате в целях повышения эффективности передачи данных, их анализа и хранения. В таком случае при использовании преобразователя с цифровым интерфейсом для передачи данных обеспечивается экономия затрат на систему, а также оптимальное взаимодействие датчика с системой контроля.

Свобода выбора конструкционного решения с датчиком 23SY/23D

Независимо от того, в какой области находится задача — аналоговой или цифровой, доступность сенсоров и датчиков, способных работать в обоих случаях, обеспечивает значительную гибкость для разработчиков систем. Преобразователи как в аналоговой, так и в цифровой версии, обладают одними и теми же основными функциями точного измерения давления и передачи данных в систему управления. Наличие опции передачи данных как в аналоговом, так и в цифровом формате, предполагает, что конструкция системы окажется эффективной и низкозатратной, тем самым обеспечивая желаемый результат, отвечающий любым конструкторским требованиям.

Заключение

Компания KELLER является технологическим лидером в сфере производства датчиков давления, обеспечивающим возможности подключения в современном мире с растущим количеством различных взаимосвязей. Компания KELLER имеет колоссальный опыт работы: от обеспечения измерительными приборами предприятий в сферах машиностроения, промышленности, коммерческих перевозок, аэрокосмической и оборонной областей до решения различных задач в медицинской сфере и обработки уникальных пользовательских запросов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *