Интегральные схемы управления питанием от ON Semiconductor (ONS) уже хорошо известны отечественным разработчикам. Это AC/DC-преобразователи и ШИМ-контроллеры, корректоры коэффициента мощности, DC/DC-преобразователи и, конечно, линейные регуляторы. Однако практически ни одно портативное устройство не может обойтись без аккумулятора и, соответственно, без микросхем для его заряда и защиты. Компания ONS имеет в линейке продукции ряд решений для управления зарядом аккумуляторов, которые традиционно для ONS сочетают достаточную функциональность с невысокой стоимостью и простотой применения.
В современной электронике наиболее распространены NiCd/NiMH и Li-Ion/Li-Pol аккумуляторы. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы дешевы, а также имеют самое большое количество циклов разряда/заряда и большое значение нагрузочного тока. Основными недостатками являются: высокий саморазряд, а также «эффект памяти», который приводит к частичной потере емкости при частом заряде не до конца разряженного аккумулятора.
Никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы — это попытка устранения недостатков NiCd, в частности «эффекта памяти». Данные аккумуляторы менее критичны к заряду после неполной разрядки и практически в два раза превосходят NiCd по величине удельной емкости. Не обошлось и без потерь, NiMH аккумуляторы обладают меньшим числом циклов разряд/заряд и более высоким саморазрядом по сравнению с NiCd.
Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы обладают самой высокой плотностью энергии, что позволяет им превосходить другие типы аккумуляторов по величине емкости при тех же габаритных размерах. Низкий саморазряд и отсутствие «эффекта памяти» делают этот тип аккумуляторов неприхотливым в использовании. Однако для обеспечения безопасности использования литий-ионные аккумуляторы требуют применения технологий и конструктивных решений (полиолефиновые пористые пленки для изоляции положительного и отрицательного электродов, наличие терморезистора и предохранительного клапана для сброса избыточного давления), которые приводят к увеличению стоимости аккумуляторов на основе лития по сравнению с другими элементами питания.
Литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы — это попытка решить проблему безопасности аккумуляторов на основе лития путем использования твердого сухого электролита вместо электролита в виде геля в Li-Ion. Такое решение позволяет получить схожие с Li-Ion аккумуляторами характеристики при меньшей стоимости. Помимо повышенной безопасности, использование твердого электролита позволяет уменьшить толщину аккумулятора (до 1,5 мм). Единственным недостатком по сравнению с Li-Ion аккумуляторами является менее широкий диапазон рабочих температур, в частности Li-Pol аккумуляторы не рекомендуется заряжать при минусовых температурах.
В современных портативных приложениях требуется максимально быстрый заряд аккумулятора, предотвращение перезаряда, максимальный срок службы и предотвращение потери емкости. MC33340 и MC33342 — контроллеры заряда от ON Semiconductor, которые сочетают в себе все, что необходимо для быстрого заряда и защиты NiCd и NiMH аккумуляторов.
Контроллеры МС33340/42 реализуют :
Данные контроллеры в сочетании с внешним линейным или импульсным преобразователем образуют законченную систему для зарядки аккумуляторов. Пример такой зарядной схемы с использованием классического стабилизатора LM317 показан на рис. 1.
Рис. 1.
LM317 в данной схеме работает как стабилизированный источник тока с установкой зарядного тока резистором R7:
I chg(fast) = (V ref + I adjR8)/R7. Ток капельной подзарядки устанавливается резистором R5:
I chg(trickle) = (V in — V f(D3) — V batt)/R5. Делитель R2/R1 должен быть рассчитан таким образом, чтобы при полном заряде аккумулятора на входе Vsen было меньше 2 В:
R2 = R1(V batt /V sen — 1).
С помощью выводов t1, t2, t3 трехбитной логикой (ключами на схеме) устанавливается либо время заряда 71…283 мин, либо верхний и нижний пределы детектирования температуры.
На основе представленной схемы компания ON Semiconductor предлагает отладочные платы MC33340EVB и MC33342EVB .
Литиевые аккумуляторы требуют высокой стабильности зарядного напряжения, например, для аккумулятора LIR14500 от компании EEMB зарядное напряжение должно находиться в пределах 4,2±0,05 В. Для заряда аккумуляторов на основе лития ONS предлагает полностью интегрированное решение — NCP1835B. Это микросхема заряда с линейным регулятором, профилем заряда CCCV (constant current, constant voltage) и зарядным током 30…300 мА. Питание NCP1835B может осуществляться либо от стандартного AC/DC-адаптера, либо от USB-порта. Вариант схемы включения представлен на рис. 2.
Рис. 2.
Основные характеристики :
Еще одним важным моментом в системах заряда аккумуляторов является защита от превышения допустимого входного напряжения. Решения, предлагаемые ONS, отключают выход от целевой схемы в случае присутствия на входе недопустимого напряжения.
NCP349 — новинка от ONS, которая защищает от перенапряжения по входу до 28 В. Микросхема отключает выход при превышении верхнего порога входным напряжением или если нижний порог не достигнут. Также предусмотрен выход FLAG# для сигнализации перенапряжения на входе. Типовая схема применения показана на рис. 3.
Рис. 3.
Данная микросхема доступна с различными нижними (2,95 и 3,25 В) и верхними (5,68; 6,02; 6,4; 6,85 В) порогами срабатывания, которые закодированы в наименовании. NCP360 обладает такой же функциональностью, что и NCP349, за исключением максимального напряжения на входе: 20 В.
Компания ON Semiconductor по сравнению с конкурентами обладает не очень широкой линейкой микросхем для заряда аккумуляторов. Однако представленные решения в своем сегменте характеризуются конкурентоспособными характеристиками и ценой, а также простотой применения.
Всем радиолюбителям отлично знакомы платы заряда для одной банки li-ion аккумуляторов. Она пользуется большим спросом из за малой цены и неплохих выходных параметров.
Применяется для зарядки ранее указанных аккумуляторов от напряжения 5 Вольт. Подобные платки находят широкое применение в самодельных конструкциях с автономным источником питания в лице литий-ионных аккумуляторов.
Выпускают эти контроллеры в двух вариантах - с защитой и без. Те, что с защитой стоят чуток дорого.
Защита выполняет несколько функций
1) Отключает аккумулятор при глубоком разряде, перезаряде, перегрузке и к.з.
Сегодня мы очень детально проверим эту платку и поймем соответствуют ли обещанные производителем параметры реальным, а также устроим иные тесты, погнали.
Параметры платы приведены ниже
А это схемы, верхняя с защитой, нижняя - без
Под микроскопом заметно, что плата весьма неплохого качества. Двухсторонний стеклотекстолит, никаких "сополей", присутствует шелкография, все входы и выходы промаркированы, перепутать подключение не реально, если быть внимательным.
Микросхема может обеспечить максимальный ток заряда в районе 1 Ампера, этот ток можно изменить подбором резистора Rх (выделено красным).
А это табличка выходного тока в зависимости от сопротивления ранее указанного резистора.
Микросхема задает конечное напряжение зарядки (около 4,2Вольт) и ограничивает ток заряда. На плате имеется два светодиода, красный и синий (цвета могут быть иными) Первый горит в процессе заряда, второй когда аккумулятор полностью заряжен.
Имеется Micro USB разъем, куда подается напряжение 5 вольт.
Первый тест.
Проверим выходное напряжение, до которого будет заряжаться аккумулятор, оно должно быть в от 4,1 до 4,2В
Все верно, претензий нет.
Второй тест
Проверим выходной ток, на этих платах по умолчанию выставлен максимальный ток, а это около 1А.
Будем нагружать выход платы до тех пор, пока не сработает защита, этим имитируя большое потребление на входе или разряженный аккумулятор.
Максимальный ток близок к заявленному, идем дальше.
Тест 3
На место аккумулятора подключен лабораторный блок питания на котором заранее выставлено напряжение в районе 4-х вольт. Снижаем напряжение до тех пор пока защита не отключит аккумулятор, мультиметр отображает выходное напряжение.
Как видим, при 2,4-2,5 вольтах напряжение на выходе пропало, т.е защита свое отрабатывает. Но это напряжение ниже критического, думаю 2,8 Вольт было бы самое оно, в общем не советую разряжать аккумулятор до такой степени, чтобы сработала защита.
Тест 4
Проверка тока срабатывания защиты.
Для этих целей была использована электронная нагрузка, плавно увеличиваем ток.
Защита срабатывает на токах около 3,5 Ампер (отчетливо видно в ролике)
Из недостатков замечу только то, что микросхема безбожно нагревается и не спасает даже теплоемкая плата, к стати - сама микросхема имеет подложку для эффективной теплоотдачи и эта подложка припаяна к плате, последняя играет роль теплоотвода.
Добавить думаю нечего, все прекрасно видели, плата является отличным бюджетным вариантом, когда речь идет о контроллере заряда для одной банки Li-Ion аккумулятора небольшой емкости.
Думаю это одна из самых удачных разработок китайских инженеров, которая доступна всем из-за ничтожной цены.
Счастливо оставаться!
Для начала нужно определиться с терминологией.
Как таковых контроллеров разряда-заряда не существует . Это нонсенс. Нет никакого смысла управлять разрядом. Ток разряда зависит от нагрузки - сколько ей надо, столько она и возьмет. Единственное, что нужно делать при разряде - это следить за напряжением на аккумуляторе, чтобы не допустить его переразряда. Для этого применяют .
При этом, отдельно контроллеры заряда не только существуют, но и совершенно необходимы для осуществления процесса зарядки li-ion аккумуляторов. Именно они задают нужный ток, определяют момент окончания заряда, следят за температурой и т.п. Контроллер заряда является неотъемлемой частью любого .
Исходя из своего опыта могу сказать, что под контроллером заряда/разряда на самом деле понимают схему защиты аккумулятора от слишком глубокого разряда и, наоборот, перезаряда.
Другими словами, когда говорят о контроллере заряда/разряда, речь идет о встроенной почти во все литий-ионные аккумуляторы защите (PCB- или PCM-модулях). Вот она:
И вот тоже они:
Очевидно, что платы защиты представлены в различных форм-факторах и собраны с применением различных электронных компонентов. В этой статье мы как раз и рассмотрим варианты схем защиты Li-ion аккумуляторов (или, если хотите, контроллеров разряда/заряда).
Раз уж это название так хорошо укрепилось в обществе, мы тоже будем его использовать. Начнем, пожалуй, с наиболее распространенного варианта на микросхеме DW01 (Plus).
Такая защитная плата для аккумуляторов li-ion встречается в каждом втором аккумуляторе от мобильника. Чтобы до нее добраться, достаточно просто оторвать самоклейку с надписями, которой обклеен аккумулятор.
Сама микросхема DW01 - шестиногая, а два полевых транзистора конструктивно выполнены в одном корпусе в виде 8-ногой сборки.
Вывод 1 и 3 - это управление ключами защиты от разряда (FET1) и перезаряда (FET2) соответственно. Пороговые напряжения: 2.4 и 4.25 Вольта. Вывод 2 - датчик, измеряющий падение напряжения на полевых транзисторах, благодаря чему реализована защита от перегрузки по току. Переходное сопротивление транзисторов выступает в роли измерительного шунта, поэтому порог срабатывания имеет очень большой разброс от изделия к изделию.
Вся схема выглядит примерно вот так:
Правая микросхема с маркировкой 8205А - это и есть полевые транзисторы, выполняющие в схеме роль ключей.
Фирма SEIKO разработала специализированные микросхемы для защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов от переразряда/перезаряда. Для защиты одной банки применяются интегральные схемы серии S-8241 .
Ключи защиты от переразряда и перезаряда срабатывают соответственно при 2.3В и 4.35В. Защита по току включается при падении напряжения на FET1-FET2 равном 200 мВ.
Аналогичная схема протекции литиевых однобаночных аккумуляторов с защитой от переразряда, перезаряда, превышения токов заряда и разряда. Реализована с применением микросхемы LV51140T .
Пороговые напряжения: 2.5 и 4.25 Вольта. Вторая ножка микросхемы - вход детектора перегрузки по току (предельные значения: 0.2В при разряде и -0.7В при зарядке). Вывод 4 не задействован.
Схемотехническое решение аналогично предыдущим. В рабочем режиме микросхема потребляет около 3 мкА, в режиме блокировки - порядка 0.3 мкА (буква С в обозначении) и 1 мкА (буква F в обозначении).
Серия R5421N содержит несколько модификаций, отличающихся величиной напряжения срабатывания при перезарядке. Подробности приведены в таблице:
Очередной вариант контроллера заряда/разряда, только уже на микросхеме SA57608 .
Напряжения, при которых микросхема отключает банку от внешних цепей, зависят от буквенного индекса. Подробности см. в таблице:
SA57608 потребляет достаточно большой ток в спящем режиме - порядка 300 мкА, что отличает ее от вышеперечисленных аналогов в худшую сторону (там потребляемые токи порядка долей микроампера).
Ну и напоследок предлагаем интересное решение от одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов On Semiconductor - контроллер заряда-разряда на микросхеме LC05111CMT .
Решение интересно тем, что ключевые MOSFET"ы встроены в саму микросхему, поэтому из навесных элементов остались только пару резисторов да один конденсатор.
Переходное сопротивление встроенных транзисторов составляет ~11 миллиом (0.011 Ом). Максимальный ток заряда/разряда - 10А. Максимальное напряжение между выводами S1 и S2 - 24 Вольта (это важно при объединении аккумуляторов в батареи).
Микросхема выпускается в корпусе WDFN6 2.6x4.0, 0.65P, Dual Flag.
Схема, как и ожидалось, обеспечивает защиту от перезаряда/разряда, от превышения тока в нагрузке и от чрезмерного зарядного тока.
Важно понимать, что модуль защиты и контроллеры заряда - это не одно и то же. Да, их функции в некоторой степени пересекаются, но называть встроенный в аккумулятор модуль защиты контроллером заряда было бы ошибкой. Сейчас поясню в чем разница.
Важнейшая роль любого контроллера заряда заключается в реализации правильного профиля заряда (как правило, это CC/CV - постоянный ток/постоянное напряжение). То есть контроллер заряда должен уметь ограничивать ток зарядки на заданном уровне, тем самым контролируя количество "заливаемой" в батарею энергии в единицу времени. Избыток энергии выделяется в виде тепла, поэтому любой контроллер заряда в процессе работы достаточно сильно разогревается.
По этой причине контроллеры заряда никогда не встраивают в аккумулятор (в отличие от плат защиты). Контроллеры просто являются частью правильного зарядного устройства и не более.
Кроме того, ни одна плата защиты (или модуль защиты, называйте как хотите) не способен ограничивать ток заряда. Плата всего лишь контролирует напряжение на самой банке и в случае выхода его за заранее установленные пределы, размыкает выходные ключи, отключая тем самым банку от внешнего мира. Кстати, защита от КЗ тоже работает по такому же принципу - при коротком замыкании напряжение на банке резко просаживается и срабатывает схема защиты от глубокого разряда.
Путаница между схемами защиты литиевых аккумуляторов и контроллеров заряда возникла из-за схожести порога срабатывания (~4.2В). Только в случае с модулем защиты происходит полное отключение банки от внешних клемм, а в случае с контроллером заряда происходит переключение в режим стабилизации напряжения и постепенного снижения зарядного тока.
Не секрет, что Li-ion аккумуляторы не любят глубокого разряда. От этого они хиреют и чахнут, а также увеличивают внутреннее сопротивление и теряют емкость. Некоторые экземпляры (те, которые с защитой) могут даже погрузиться в глубокую спячку, откуда их довольно проблематично вытаскивать. Поэтому при использовании литиевых аккумуляторов необходимо как-то ограничить их максимальный разряд.
Для этого применяют специальные схемы, отключающие батарею от нагрузки в нужный момент. Иногда такие схемы называют контроллерами разряда.
Т.к. контроллер разряда не управляет величиной тока разряда, он, строго говоря, никаким контроллером не является. На самом деле это устоявшееся, но некорректное название схем защиты от глубокого разряда.
Вопреки распространенному мнению, встроенные в аккумуляторы (PCB-платы или PCM-модули) не предназначены ни для ограничения тока заряда/разряда, ни для своевременного отключения нагрузки при полном разряде, ни для корректного определения момента окончания заряда.
Во-первых, платы защиты в принципе не способны ограничивать ток заряда или разряда. Этим должно заниматься ЗУ. Максимум, на что они способны - это вырубить аккумулятор при коротком замыкании в нагрузке или при его перегреве.
Во-вторых, большинство модулей защиты отключают li-ion батарею при напряжении 2.5 Вольта или даже меньше. А для подавляющего большинства аккумуляторов - это ооооочень сильный разряд, такого вообще нельзя допускать.
В-третьих, китайцы клепают эти модули миллионами... Вы правда верите, что в них используются качественные прецизионные компоненты? Или что их кто-то там тестирует и настраивает перед установкой в аккумуляторы? Разумеется, это не так. При производстве китайских плат неукоснительно соблюдается лишь один принцип: чем дешевле - тем лучше. Поэтому если защита будет отключать АКБ от зарядного устройства точно при 4.2 ± 0.05 В, то это, скорее, счастливая случайность, чем закономерность.
Хорошо, если вам достался PCB-модуль, который будет срабатывать чуть раньше (например, при 4.1В). Тогда аккумулятор просто не доберет с десяток процентов емкости и все. Гораздо хуже, если аккумулятор будет постоянно перезаряжаться, например, до 4.3В. Тогда и срок службы сокращается и емкость падает и, вообще, может вспухнуть.
Использовать встроенные в литий-ионный аккумуляторы платы защиты в качестве ограничителей разряда НЕЛЬЗЯ! И в качестве ограничителей заряда - тоже. Эти платы предназначены только для аварийного отключения аккумулятора при возникновении нештатных ситуаций.
Поэтому нужны отдельные схемы ограничения заряда и/или защиты от слишком глубокого разряда.
Простые зарядные устройства на дискретных компонентах и специализированных интегральных схемах мы рассматривали в . А сегодня поговорим о существующих на сегодняшний день решениях, позволяющих оградить литиевый аккумулятор от слишком большого разряда.
Для начала предлагаю простую и надежную схему защиты Li-ion от переразряда, состоящую всего из 6 элементов.
Указанные на схеме номиналы дадут приведут к отключению аккумуляторов от нагрузки при снижении напряжения до ~10 Вольт (я делал защиту для 3х последовательно включенных аккумуляторов 18650, стоящих в моем металлоискателе). Вы можете задать свой собственный порог отключения путем подбора резистора R3.
К слову сказать, напряжение полного разряда Li-ion аккумулятора составляет 3.0 В и никак не меньше.
Полевик (такой как в схеме или ему подобный) можно выколупать из старой материнской платы от компа, обычно их там сразу несколько штук стоит. ТЛ-ку, кстати, тоже можно взять оттуда же.
Конденсатор С1 нужен для первоначального запуска схемы при включении выключателя (он кратковременно подтягивает затвор Т1 к минусу, что открывает транзистор и запитывает делитель напряжения R3,R2). Далее, после заряда С1, нужное для отпирания транзистора напряжение поддерживается микросхемой TL431.
Внимание! Указанный на схеме транзистор IRF4905 отлично будет защищать три последовательно включенных литий-ионных аккумулятора, но совершенно не подойдет для защиты одной банки напряжением 3.7 Вольта. О том, как самому определить подходит полевой транзистор или нет, говорится .
Минус данной схемы: в случае КЗ в нагрузке (или слишком большого потребляемого тока), полевой транзистор закроется далеко не сразу. Время реакции будет зависеть от емкости конденсатора С1. И вполне возможно, что за это время что-нибудь успеет как следует выгореть. Схема, мгновенно реагирующая на коротыш в нагрузке, представлена ниже:
Выключатель SA1 нужен для "перезапуска" схемы после срабатывания защиты. Если конструкция вашего прибора предусматривает извлечение аккумулятора для его зарядки (в отдельном ЗУ), то этот выключатель не нужен.
Сопротивление резистора R1 должно быть таким, чтобы стабилизатор TL431 выходил на рабочий режим при минимальном напряжении аккумулятора - его подбирают таким образом, чтобы ток анод-катод был не меньше 0.4 мА. Это порождает еще один недостаток данной схемы - после срабатывания защиты схема продолжает потреблять энергию от батареи. Ток хоть и небольшой, но его вполне достаточно, чтобы полностью высосать небольшой аккумулятор за какие-то пару-тройку месяцев.
Приведенная ниже схема самодельного контроля разряда литиевых аккумуляторов лишена указанного недостатка. При срабатывании защиты потребляемый устройством ток настолько мал, что мой тестер его даже не обнаруживает.
Ниже представлен более современный вариант ограничителя разряда литиевого аккумулятора с применением стабилизатора TL431. Это, во-первых, позволяет легко и просто выставить нужный порог срабатывания, а во-вторых, схема имеет высокую температурную стабильность и четкость отключения. Хлоп и все!
Достать ТЛ-ку сегодня вообще не проблема, они продаются по 5 копеек за пучок. Резистор R1 устанавливать не нужно (в некоторых случаях он даже вреден). Подстроечник R6, задающий напряжение срабатывания, можно заменить цепочкой из постоянных резисторов, с подобранными сопротивлениями.
Для выхода из режима блокировки, нужно зарядить аккумулятор выше порога срабатывания защиты, после чего нажать кнопку S1 "Сброс".
Неудобство всех вышеприведенных схем заключается в том, что для возобновления работы схем после ухода в защиту, требуется вмешательство оператора (включить-выключить SA1 или нажать кнопочку). Это плата за простоту и низкое потребление энергии в режиме блокировки.
Простейшая схема защиты li-ion от переразряда, лишенная всех недостатков (ну почти всех) показана ниже:
Принцип действия этой схемки очень похож на первые две (в самом начале статьи), но здесь нет микросхемы TL431, а поэтому собственный ток потребления можно уменьшить до очень небольших значений - порядка десяти микроампер. Выключатель или кнопка сброса также не нужны, схема автоматически подключит аккумулятор к нагрузке как только напряжение на нем превысит заданное пороговое значение.
Конденсатор С1 подавляет ложные срабатывание при работе на импульсную нагрузку. Диоды подойдут любые маломощные, именно их характеристики и количество определяют напряжение срабатывания схемы (придется подобрать по месту).
Полевой транзистор можно использовать любой подходящий n-канальный. Главное, чтобы он не напрягаясь выдерживал ток нагрузки и умел открываться при низком напряжении затвор-исток. Например, P60N03LDG, IRLML6401 или аналогичные (см. ).
Вышеприведенная схема всем хороша, но имеется один неприятный момент - плавное закрытие полевого транзистора. Это происходит из-за пологости начального участка вольт-амперной характеристики диодов.
Устранить этот недостаток можно с помощью современной элементной базы, а именно - с помощью микромощных детекторов напряжения (мониторов питания с экстремально низким энергопотреблением). Очередная схема защиты лития от глубокого разряда представлена ниже:
Микросхемы MCP100 выпускается как в DIP-корпусе, так и в планарном исполнении. Для наших нужд подойдет 3-вольтовый вариант - MCP100T-300i/TT . Типовой потребляемый ток в режиме блокировки - 45 мкА. Стоимость мелким оптом порядка 16 руб/шт .
Еще лучше вместо MCP100 применить монитор BD4730 , т.к. у него выход прямой и, следовательно, нужно будет исключить из схемы транзистор Q1 (выход микросхемы соединить напрямую с затвором Q2 и резистором R2, при этом R2 увеличить до 47 кОм).
В схеме применяется микроомный p-канальный MOSFET IRF7210 , без проблем коммутирующий токи в 10-12 А. Полевик полностью открывается уже при напряжении на затворе около 1.5 В, в открытом состоянии имеет ничтожное сопротивление (менее 0.01 Ом)! Короче, очень крутой транзистор. А, главное, не слишком дорогой.
По-моему, последняя схема наиболее близка к идеалу. Если бы у меня был неограниченный доступ к радиодеталям, я бы выбрал именно ее.
Небольшое изменение схемы позволяет применить и N-канальный транзистор (тогда он включается в минусовую цепь нагрузки):
Мониторы (супервизоры, детекторы) питания BD47xx - это целая линейка микросхем с напряжением срабатывания от 1.9 до 4.6 В с шагом 100 мВ, так что можно всегда подобрать под ваши цели.
Любую из вышеприведенных схем можно подключить к батарее из нескольких аккумуляторов (после некоторой подстройки, конечно). Однако, если банки будут иметь отличающуюся емкость, то самый слабый из аккумуляторов будет постоянно уходить в глубокий разряд задолго до того, как схема будет срабатывать. Поэтому в таких случаях всегда рекомендуется использовать батареи не только одинаковой емкости, но и желательно из одной партии.
И хотя в моем металлодетекторе такая защита работает без нареканий уже года два, все же гораздо правильнее было бы следить за напряжением на каждом аккумуляторе персонально.
Всегда используйте свой персональный контроллер разряда Li-ion аккумулятора на каждую банку. Тогда любая ваша батарея будет служить долго и счастливо.
Во всех вышеприведенных схемах защиты литий-ионных аккумуляторов от глубокого разряда применяются MOSFETы, работающие в ключевом режиме. Такие же транзисторы обычно используются и в схемах защиты от перезаряда, защиты от КЗ и в других случаях, когда требуется управление нагрузкой.
Разумеется, для того, чтобы схема работала как надо, полевой транзистор должен удовлетворять определенным требованиям. Сначала мы определимся с этими требованиями, а затем возьмем парочку транзисторов и по их даташитам (по техническим характеристикам) определим, подходят они нам или нет.
Внимание! Мы не будем рассматривать динамические характеристики полевых транзисторов, такие как скорость переключения, емкость затвора и максимальный импульсный ток стока. Указанные параметры становятся критично важными при работе транзистора на высоких частотах (инверторы, генераторы, шим-модуляторы и т.п.), однако обсуждение этой темы выходит за рамки данной статьи.
Итак, мы должны сразу же определиться со схемой, которую хотим собрать. Отсюда первое требование к полевому транзистору - он должен быть подходящего типа (либо N- либо P-канальный). Это первое.
Предположим, что максимальный ток (ток нагрузки или ток заряда - не важно) не будет превышать 3А. Отсюда вытекает второе требование - полевик должен длительное время выдерживать такой ток .
Третье. Допустим наша схема будет обеспечивать защиту аккумулятора 18650 от глубокого разряда (одной банки). Следовательно мы можем сразу же определиться с рабочими напряжениями: от 3.0 до 4.3 Вольта. Значит, максимальное допустимое напряжение сток-исток U ds должно быть больше, чем 4.3 Вольта.
Однако последнее утверждение верно только в случае использования только одной банки литиевого аккумулятора (или нескольких включенных параллельно). Если же для питания вашей нагрузки будет задействована батарея из нескольких последовательно включенных аккумуляторов, то максимальное напряжение сток-исток транзистора должно превышать суммарное напряжение всей батареи .
Вот рисунок, поясняющий этот момент:
Как видно из схемы, для батареи из 3х последовательно включенных аккумуляторов 18650 в схемах защиты каждой банки необходимо применять полевики с напряжением сток-исток U ds > 12.6В (на практике нужно брать с некоторым запасом, например, в 10%).
В то же время, это означает, что полевой транзистор должен уметь полностью (или хотя бы достаточно сильно) открываться уже при напряжении затвор-исток U gs менее 3 Вольт. На самом деле, лучше ориентироваться на более низкое напряжение, например, на 2.5 Вольта, чтобы с запасом.
Для грубой (первоначальной) прикидки можно глянуть в даташите на показатель "Напряжение отсечки" (Gate Threshold Voltage ) - это напряжение, при котором транзистор находится на пороге открытия. Это напряжение, как правило, измеряется в момент, когда ток стока достигает 250 мкА.
Понятно, что эксплуатировать транзистор в этом режиме нельзя, т.к. его выходное сопротивление еще слишком велико, и он просто сгорит из-за превышения мощности. Поэтому напряжение отсечки транзистора должно быть меньше рабочего напряжения схемы защиты . И чем оно будет меньше, тем лучше.
На практике для защиты одной банки литий-ионного аккумулятора следует подбирать полевой транзистор с напряжением отсечки не более 1.5 - 2 Вольт.
Таким образом, главные требования к полевым транзисторам следующие:
Теперь давайте на конкретных примерах. Вот, например, в нашем распоряжении имеются транзисторы IRF4905, IRL2505 и IRLMS2002. Взглянем на них поближе.
Открываем даташит и видим, что это транзистор с каналом p-типа (p-channel). Если нас это устраивает, смотрим дальше.
Максимальный ток стока - 74А. С избытком, конечно, но подходит.
Напряжение сток-исток - 55V. У нас по условию задачи всего одна банка лития, так что напряжение даже больше, чем требуется.
Далее нас интересует вопрос, каким будет сопротивление сток-исток, при открывающем напряжении на затворе 2.5V. Смотрим в даташит и так сходу не видим этой информации. Зато мы видим, что напряжение отсечки U gs(th) лежит в диапазоне 2...4 Вольта. Нас это категорически не устраивает.
Последнее требование не выполняется, поэтому транзистор забраковываем .
Вот его даташит . Смотрим и сразу же видим, что это очень мощный N-канальный полевик. Ток стока - 104А, напряжение сток-исток - 55В. Пока все устраивает.
Проверяем напряжение V gs(th) - максимум 2.0 В. Отлично!
Но давайте посмотрим, каким сопротивлением будет обладать транзистор при напряжении затвор-исток = 2.5 вольта. Смотрим график:
Получается, что при напряжении на затворе 2.5В и токе через транзистор в 3А, на нем будет падать напряжение в 3В. В соответствии с законом Ома, его сопротивление в этот момент будет составлять 3В/3А=1Ом.
Таким образом, при напряжении на банке аккумулятора около 3 Вольт, он просто не сможет отдать в нагрузку 3А, так как для этого общее сопротивление нагрузки вместе с сопротивлением сток-исток транзистора должно составлять 1 Ом. А у нас только один транзистор уже имеет сопротивление 1 Ом.
К тому же при таком внутреннем сопротивлении и заданном токе, на транзисторе будет выделяться мощность (3 А) 2 * 3 Ом = 9 Вт. Поэтому потребуется установка радиатора (корпус ТО-220 без радиатора сможет рассеивать где-то 0.5...1 Вт).
Дополнительным тревожным звоночком должен стать тот факт, что минимальное напряжение затвора для которого производитель указал выходное сопротивление транзистора равно 4В.
Это как бы намекает на то, что эксплуатация полевика при напряжении U gs менее 4В не предусматривалась.
Учитывая все вышесказанное, транзистор забраковываем .
Итак, достаем из коробочки нашего третьего кандидата. И сразу смотрим его ТТХ .
Канал N-типа, допустим с этим все в порядке.
Ток стока максимальный - 6.5 А. Подходит.
Максимально допустимое напряжение сток-исток V dss = 20V. Отлично.
Напряжение отсечки - макс. 1.2 Вольта. Пока нормально.
Чтобы узнать выходное сопротивление этого транзистора нам даже не придется смотреть графики (как мы это делали в предыдущем случае) - искомое сопротивление сразу приведено в таблице как раз для нашего напряжения на затворе.
В статье расскажем про контроллер заряда Li-Ion на MCP73833.
Рисунок 1.
До этого момента я использовал контроллеры LT4054 , и честно говоря, был им доволен:
Он позволял заряжать компактные Li-Pol аккумуляторы ёмкостью до 3000мАч
Был ультрокомпактен: sot23-5
Имел индикатор зарядки аккумулятора
Имеет кучу защит, что делает из него практически не убиваемый чип
Рисунок 2.
Дополнительным плюсом является то, что перед тем как я на нём начал что-то делать, я купил их 50 штук, по очень скромной цене.
Недостатки я выявил в работе, и они меня, честно говоря, поставили в частичный ступор:
Максимальный заявленный ток 1А, думал я. Но уже при 300мА в процессе зарядки чип прогревается до 110*С даже при наличии больших полигонов-радиаторов и радиатора прикреплённого к пластиковой поверхности чипа.
Во время включения тепловой защиты, там видимо срабатывает компаратор, который быстро сбрасывает ток. В результате этого микросхема превращается в генератор, который убивает батарейку. Таким образом я убил 2 аккумулятора, пока не понял в чём дело с осциллографом.
В виду вышеперечисленного я получил проблему с временем заряда устройства порядка 10 часов. Конечно, это сильно не устраивало меня и потребителей моей электроники, но что поделать: все хотели увеличить ресурс работы при тех-же параметрах устройства, а они у меня порой потребляют много.
В связи с этим я начал искать контроллер, который был бы с куда лучшими параметрами и возможностями теплоотвода и мой выбор остановился пока на MCP73833 в основном из-за того, что данные контроллеры были у моего друга в наличии, и я свистнув пару штук быстро(быстрее его) запаял прототип и провёл нужные мне испытания.
Давайте я не буду заниматься полным и доскональным переводом даташита(хотя это и полезно), а быстро и просто расскажу о том, на что я смотрел в первую очередь в данном контроллере и нравилось ли мне это или нет.
1. Общая схема включения – это то, что бросается в глаза с начала. Легко заметить, что за исключением индикации (которую можно и не делать) обвязка состоит всего из 4 деталей. В них входят два фильтрующих конденсатора, резистор программирования тока заряда аккумулятора и терморезистор на 10к для контроля перегрева Li-Ion аккумулятора. Данная схема показана на рисунке 3. Это определённо здорово.
Рисунок 3. Схема подключения MCP73833
2. У неё в разы лучше с теплом. Это видно даже по схеме подключения, так как видны одинаковые ножки, которые можно использовать под отвод тепла. Дополнительно к этому, взглянув на то, что микросхема выпускается в корпусах msop-10 и DFN-10, которые больше по площади поверхности чем sot23-5. Тем более в корпусе DFN-10 есть специальный полигон, который можно и нужно использовать как отвод тепла на большую поверхность. Если не верите, то сами смотрите на рисунок 4. На нём приведены выводы ножек у DFN-10 корпуса и рекомендуемая производителем трассировка печатной платы, с отводом тепла при помощи полигона.
Рисунок 4.
3. Наличие терморезистора на 10к. Конечно, в большинстве случаев я им пользоваться не буду, так как я уверен, что не перегрею батарейку, но: есть задачи, в которых я подразумеваю полный заряд батарейки всего за 30 минут работы от блока питания. В таких случаях, возможен вариант перегрева самого аккумулятора.
4. Достаточно сложная система индикации зарядки аккумулятора. Как я понял и попробовал: там 1 светодиод отвечает за то, подведено ли питание со стороны заряжающего блока питания. По идее, штука не такая нужная, но: у меня были случаи, когда я разбивал разъём и просто контроллер не получал 5В на вход. В таких случаях сразу было понятно, что не так. Крайне полезная фишка для разработчиков. Для потребителей она легко заменяется просто светодиодом по линии 5В входа, установленного с ограничивающим его ток резистором.
5. Два остальных светодиода разбиты на стадии зарядки. Это позволяет разгрузить МК(если не требуется например показывать на дисплее заряд аккумулятора) в плане обработки заряда на батарейке во время зарядки(индикация зарядился или нет).
6. Программирование тока заряда в широких пределах. Лично я попробовал вытащить на плате, показанной на рисунке 1 зарядный ток в 1А, и на отметке 890мА плата в стабильном режиме работы уходила в тепловую защиту. Как говорят люди вокруг, при больших полигонах они отлично вытаскивали с данного контроллера и 2А, а по техническому описанию предельный ток заряда 3А, но у меня есть ряд сомнений, связанных с тепловой нагрузкой на микросхему.
7. Если верить даташиту, то в данной микросхеме есть: Low-Dropout Linear Regulator Mode – режим пониженного входного напряжения. В этих режимах вы, с помощью DC-DC преобразователя аккуратно можете на время начала заряда немного снизить напряжение на входе микросхемы, для уменьшения её тепловыделений. Лично я пробовал снижать напряжение, и тепла становилось логично меньше, но на данной микросхеме должно падать хотя бы 0,3-0,4В, чтобы она могла удобно ей заряжать батарейку. Чисто технически я собираюсь сделать небольшой модуль, который это делает автоматически, но денег и времени на это у меня нет, по этому радостно прошу в почту всех заинтересовавшихся. Если вас наберётся несколько ещё человек, то такую штуку нашим сайтом мы выпустим.
8. Не понравилось, что корпус совсем маленький. Паять его без фена (DFN-10) сложно, и качественно не получится, как ни крути. С msop-10 по лучше, но у новичков уходит значительное время обучиться технике его пайку.
9. Не понравилось, что в данном контроллере нет встроенного BMS(защиты аккумулятора от быстрого заряда/разряда и ещё ряда проблем). Но такие штуки есть у более дорогих контроллеров у тех-же TI.
10. Понравилась цена. Данные контроллеры не дорогие.
А дальше я собираюсь внедрять данную микросхему в различные свои идеи по устройствам. К примеру, сейчас уже производиться на заводе пробная версия отладочной платы на базе STM32F103RCT6 и 18650 аккумуляторов. У меня уже есть отладочная плата на данном контроллере, которая себя очень хорошо зарекомендовала и я хочу дополнить её носимой версией для того, чтобы я мог взять свой рабочий проект с собой и не думать о питании и поиски розетки, в которую можно вставить блок питания.
Так-же я буду использовать её во всех решениях, где требуются зарядные токи более 300мА.
Надеюсь и вы, сможете применить данную полезную и простую микросхему в своих устройствах.
Если вообще интересно про батарейное питание, то вот моя личная видеозапись по поводу батарейного питания устройств.
