Схема контроллера зарядки li ion аккумулятора: Схемы самодельных зарядок для литий-ионных аккумуляторов (18650, 14500 li-ion), как правильно заряжать литий-полимерные АКБ

схемы для зарядки Li-ion аккумуляторов

Содержание

1. Принцип работы и основные радиоэлементы контроллера
2. Примеры схем для контроллеров заряда
3. Зарядное устройство с дозарядом импульсным током
4. Схема контроллера на микросхеме TP4056
5. Контроллер заряда на LTC4054 (STC4054)
6. Простая схема на MCP73812

Литий-ионные аккумуляторы стремительно завоевывают рынок автономных источников тока, вытесняя традиционные батареи из многих сфер. Обладая неоспоримыми преимуществами перед традиционными батареями, Li-ion элементы обладают и врожденными недостатками. Один из наиболее заметных – необходимость строгого соблюдение режимов заряда и разряда, поэтому процесс пополнения энергии (да и расходования заряда) должен происходить под управлением контроллера заряда аккумулятора.

Принцип работы и основные радиоэлементы контроллера

Чтобы рассмотреть вопрос построения контроллеров заряда, в первую очередь надо разобраться с терминологией. Понятие контроллера заряда часто путают со схемой защиты аккумулятора. Ее назначение – отключение батареи при достижении граничных параметров (верхний или нижний уровень напряжения, температура, ток и т.п.).

Часто плата контроля батареи содержит оба устройства, но все же контроллером заряда называется устройство (электронная схема), формирующая определенный алгоритм пополнения энергии перезаряжаемого источника. В данном обзоре будут рассматриваться именно такие схемы.

Устройства для балансировки (балансиры, BMS), под управлением которых происходит процесс подзаряда батареи из нескольких последовательно соединенных элементов, тоже можно отнести к схемам защиты.

Для понимания принципа работы контроллера в первую очередь надо рассмотреть оптимальный алгоритм зарядки Li-ion аккумулятора. Он состоит из нескольких этапов.

Полный алгоритм зарядки литий-ионных элементов

Полный алгоритм процесса пополнения запаса энергии литий-ионного элемента содержит три стадии:

1. Предварительный подзаряд малым током (на рисунке – этап 1’). Используется только для аккумуляторов, разряженных до уровня ниже 2,4 вольта (на одну ячейку). При достижении указанного порога контроллер переходит к этапу 1 (или начинает с него, если выходное напряжение в норме).
2. Этап подзаряда стабильным током. На этой стадии контроллер поддерживает ток равным в течение всего процесса, повышая напряжение по мере зарядки элемента. Сила тока при этом может быть выбрана в пределах 0,5С..1С.
3. Дозаряд стабильным напряжением (этап 2). При достижении около 80% заряда аккумулятора, контроллер стабилизирует напряжение. Ток при этом падает, и как только он достигнет порогового значения, процесс прекращается. Аккумулятор считается заряженным.

Многие устройства контроля заряда работают по упрощенному алгоритму. Это позволяет приблизить процесс к оптимальному, используя несложную схемотехнику. Например, «импульсный» способ формирования второго этапа. Сначала аккумулятор заряжается стабильным током, а на втором этапе на выводы аккумулятора подаются импульсы тока той же амплитуды, но регулируемой ширины так, что среднее напряжение на элементе остается примерно одинаковым. В паузах между импульсами напряжение измеряется напряжение на аккумуляторе, и чем ближе оно к 4,2 (еще лучше — к 4,15) вольтам, тем короче импульс. При достижении порога в 4,15 вольт длина импульса сокращается до нуля, и процесс прекращается.

«Импульсный» алгоритм дозаряда Li-ion элемента

Другой способ задать режим 2 этапа — дозаряд ступенчато снижающимся током. При этом среднее напряжение на выводах батареи также можно считать приблизительно стабильным.

Дозаряд аккумулятора ступенчатым током

В еще более простых контроллерах второй этап упрощается до 1 ступени. Просто снижается ток в несколько раз. Напряжение становится возрастающим, но это лучше, чем совсем без стадии дозаряда.

Одноступенчатый дозаряд литий-ионного элемента

Очевидно, что алгоритм подзаряда достаточно сложен, связан с измерением токов и напряжений, переходом от одного режима к другому. Поэтому для практической реализации зарядных устройств с оптимальным режимом процесса пополнения энергии в большинстве случаев требуются программируемые микроконтроллеры или специализированные микросхемы.

Существуют и достаточно несложные схемы на дискретных электронных компонентах. Одна из них будет рассмотрена далее.

Примеры схем для контроллеров заряда

Для заряда одиночных элементов относительно небольшой ёмкости (включая аккумуляторы популярного типоразмера 18650) удобно использовать зарядные устройства, питаемые от сетевых адаптеров стандарта USB. Для ЗУ, предназначенных для пополнения запаса энергии сборок из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, понадобится источник на соответствующее напряжение.

Зарядное устройство с дозарядом импульсным током

Схема ЗУ на дискретных компонентах

Этот зарядник питается от понижающего трансформатора и выпрямителя с выходным постоянным напряжением 6..7 вольт, но можно применить, как указано выше, и БП с выходом стандарта USB, лишь бы он обеспечивал достаточный ток.

В момент включения ЗУ начинает заряжать одиночный элемент стабильным током. Уровень тока задается резистором RD, и его надо подобрать при настройке. Аккумулятор заряжается в таком режиме до повышения напряжения на нем до 4,15 вольт. Этот момент отслеживается компаратором KA393. Как только напряжение на клеммах достигнет указанного порога, компаратор переключается и, управляя транзистором T2, закрывает силовой ключ (транзистор T1). Напряжение на клеммах не полностью заряженного аккумулятора упадет ниже 4,15 вольт, компаратор сработает и снова включит T1. Процесс включения-отключения будет продолжаться по мере заряда аккумулятора, а длительность паузы-заряда будет снижаться до тех пор, пока батарея не зарядится полностью и не будет на холостом ходу стабильно держать 4,15 вольт.

Для установки порога перехода от этапа 1 к этапу 2 надо при первой зарядке контролировать напряжение на выводах элемента, и, как только оно достигнет 4,15 вольт, добиться зажигания светодиода путем вращения движка резистора R1.

Это достаточно простое зарядное устройство хотя и реализует полноценный двухступенчатый алгоритм, оно автоматически не обеспечивает этап подзарядки малым током до нижнего порога.

Схема контроллера на микросхеме TP4056

Практически идеальный контроллер можно построить на базе микросхемы TP4056. Этот электронный компонент специально разработан для заряда литий-ионных аккумуляторов и автоматически формирует все три этапа подзаряда, включая предварительный (при необходимости). Для реализации схемы не понадобятся дополнительные силовые или активные компоненты – всего несколько внешних резисторов и конденсаторов, и пара светодиодов для индикации.

Схема контроллера заряда на TP4056

Резистор 0,2..0,5 Ом и конденсатор 10 мкФ, подключенные к выводу 4, образуют фильтр, защищающий от помех по цепи питания. Резисторы на выводах 6 и 7 ограничивают ток через светодиоды. LED зеленого цвета индицирует дежурный режим, а красного – режим зарядки.

Светодиоды могут быть любого цвета, но для удобства лучше принять рекомендуемые.

Резистор на выводе 2 определяет ток зарядки. Если его номинал 1,2 кОм, то аккумулятор на 1 этапе заряжается током 1 А. При увеличении номинала резистора ток падает, и для значения в 10 кОм составляет 130 мА. Резисторы R1и R2 создают смещение на входе контроля температуры. Подробнее об установке режимов подзаряда можно прочитать в datasheet на микросхему.

Можно дополнить схему контроллера узлом защиты от перезаряда, переразряда и КЗ. Подобный узел можно построить на микросхеме DW01A, но к ней придется добавить два ключа на полевых транзисторах. Получится схема управления аккумулятором, ее можно встроить в устройство, оснащенное литий-ионным элементом.

Зарядное устройство с модулем защиты на DW01A

Полный обзор возможностей контроллера TP4056 читайте в статье.

Контроллер заряда на LTC4054 (STC4054)

Подобную несложную схему можно построить на базе контроллера LTC4054. Принцип тот же, что и в предыдущем случае – специализированная микросхема, пара светодиодов для индикации режима и программирующий резистор.

ЗУ на основе LTC4054

Этот вариант также формирует все три этапа подзаряда без вмешательства в его работу. Отличия от предыдущего варианта:

• максимальный ток несколько ниже, всего 800 мА;
• отсутствие контроля температуры.

Зависимость тока от сопротивления R2 выглядит, как Iзар=205/Rпрог, где:

• Iзар – зарядный ток в миллиамперах;
• Rпрог – сопротивление программирующего резистора в килоомах.

Для указанного на схеме номинала величина тока составит около 100 мА. Транзистор Q1 и светодиод D2 можно исключить. Тогда останется только индикация режима зарядки светодиодом D1.

Читайте также

Как правильно заряжать литий ионный аккумулятор

 

Простая схема на MCP73812

Минимальное количество обвесных элементов содержит схема зарядки на микросхеме MCP73812. Только два конденсатора – фильтр напряжения питания и еще один параллельно заряжаемому аккумулятору, и схема обеспечит две стадии заряда литий-ионного элемента – стабильным током, а затем стабильным напряжением.

Два варианта схемы управления подзарядом на MCP73812

Можно обойтись даже без программирующего резистора – выходной ток составит 450 мА. Если надо установить другое значение тока подзаряда, придется установить Rпрог между 5 выводом микросхемы. Выбирают его по соотношению Rпрог=1000/ Iзар.

Рекомендуем: Самодельное зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов

Контроллеры заряда литий-ионных аккумуляторов можно выполнить на базе и других специализированных микросхем (MAX1551/MAX1555, LP2951, LTC1734). Все схемы несложны и обеспечивают подзаряд Li-ion батарей в стандартном режиме. Микросхемы недороги, их легко приобрести (часто выбор схемы определяется тем, что из комплектующих есть под рукой). А для тех, кто не хочет или не может заниматься самостоятельной сборкой, есть простой путь – приобрести готовые модули на AliExpress или другой интернет-площадке.

Особенности контроллеров зарядки Li-ion аккумуляторов

В статье рассмотрены некоторые особенности контроллеров зарядки литиево-ионных (Li-Ion) аккумуляторов, созданных на базе линейных и импульсных стабилизаторов.

Введение

Состязание разработчиков и производителей портативных гаджетов по внедрению во вновь создаваемые (и при этом все меньшего размера) устройства аппаратных модулей с расширенными функциональными возможностями вряд ли можно остановить. Большие яркие дисплеи с сенсорными панелями, Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, GSM, GPS, видеокамеры с большим форматом матрицы видеосенсора, аудио- и видеоплееры — всего лишь неполный перечень встроенных модулей и возможностей, предоставляемых современными мобильными устройствами. И, по сути, на пути миниатюризации гаджетов всегда возникают две неразрывно связанные проблемы: отвод рассеиваемой мощности и малые габариты, в которые необходимо все это упаковать. Мобильное устройство должно не только привлекать потребителей своими интеллектуальными возможностями, но и не вызывать при этом ожогов (в прямом смысле этого слова) у пользователя. Минимизация уровня тепловыделения — один из важных приоритетов при разработке. Одним из источников тепла является контроллер зарядного устройства, встроенного в мобильный прибор аккумулятора.

Проблемы

Одним из обязательных компонентов современных портативных устройств является мало в чем изменившийся за последние годы литиево-ионный аккумулятор, отличающийся наилучшими показателями среди ряда других химических источников электроэнергии, предназначенных для использования в портативных приложениях. Бесспорно, емкость его выросла, существенно улучшены и другие характеристики, что позволило расширить функциональные возможности портативных устройств, однако базовый принцип его работы и алгоритм зарядки мало в чем изменились [1–7].

В среднем для полной зарядки литиево-ионного аккумулятора емкостью 1 А·ч при токе зарядки 1 А требуется один час. Часто используемые сегодня USB-адаптеры не могут обеспечить ток более 500 мА, и поэтому время зарядки может растянуться до 2–4 или более часов. Одна из проблем, возникающих при зарядке большим током, — тепловыделение. Поскольку выходное напряжение повсеместно используемых сетевых и USB-адаптеров составляет 5 В, а рабочее напряжение аккумулятора: 3,7…4,2 В, то среднее значение КПД контроллера зарядки, построенного на базе линейного регулятора, не может быть лучше, чем 74% (3,7/5,0), а максимальное — 84% (4,2/5,0). На рисунке 1 приведена зона возможных потерь мощности в контроллере в процессе зарядки аккумулятора. Таким образом, при зарядке аккумулятора током 1 А максимальные потери составят примерно 1,3 Вт. Необходимо отметить, что это не то неизбежное выделение тепла, связанное с накоплением энергии в аккумуляторе для последующего ее использования, а тепловыделение, вызванное нагревом кристалла ИС контроллера зарядки. Чтобы уменьшить нежелательный нагрев кристалла в процессе зарядки аккумулятора, необходимо повышать КПД контроллера, что достигается при использовании контроллеров с импульсным регулированием. Кроме того, их применение позволяет потенциально ускорить продолжительность зарядки.

 

Рис. 1. Распределение потерь мощности в процессе зарядки аккумулятора

В контроллерах зарядки, созданных на базе линейных регуляторов с разделением путей протекания токов нагрузки и зарядки (PowerPath Technology), в случае небольшого тока нагрузки напряжение V_OUT равно почти 5 В (V_IN), а напряжение на аккумуляторе
V_BAT = 3,7 В.

При этом линейный регулятор контроллера зарядки используется неэффективно. При большом токе через нагрузку к ней дополнительно подключается аккумулятор и при V_IN = 5 В, V_OUT = V_BAT = 3,7 В (см. рис. 2). В этом случае неэффективно используется проходной транзистор контроллера зарядки. И в первом, и во втором случаях сохраняется величина падения напряжения на элементах регулирования V_IN – V_OUT = 1,3 В или V_OUT – VB_AT = 1,3 В, что и приводит к нежелательной потере мощности. Особенность приведенной на рисунке 2 структурной схемы состоит в том, что для подключения аккумулятора к нагрузке используется устройство, выполняющее функции «идеального» (далее — идеального, прим. ред.) диода.

 

Рис. 2. Упрощенная структурная схема устройства зарядки с разделением путей протекания токов нагрузки и зарядки

 

Варианты решения

Что же подразумевается под предложенным специалистами компании Linear Technology термином «идеальный» диод? [3, 7]. Широко применяемые диоды Шоттки отличаются по сравнению с другими полупроводниковыми диодами малым прямым падением напряжения и высокой скоростью переключения. При использовании этого диода в качестве полупроводникового ключа, например, в схемах автоматического подключения к нагрузке аккумулятора или сетевого адаптера, как правило, применяется простая схема монтажного ИЛИ, основной недостаток которой — сравнительно большое падение напряжения на диоде. При повышении тока нагрузки растут и потери мощности на нем. Решить эту проблему можно с использованием в качестве диода МОП-транзистора. Идея не нова, однако специалисты компании Linear Technology при замене диода на МОП-транзистор предложили также способ определения момента переключения идеального диода в закрытое и открытое состояния. Для этого осуществляется мониторинг падения напряжения между истоком (анодом) и стоком (катодом) транзистора. В рассматриваемом случае — это МОП-транзистор с каналом N-типа. В момент подключения входного напряжения, конечно, если входное напряжение больше выходного, ток через защитный диод транзистора течет в нагрузку.

Транзистор открывается, и падение напряжения на нем равно I_LOAD∙R_DS, где R_DS — сопротивление перехода сток-исток. Как правило, это напряжение примерно в десять раз ниже, чем падение напряжения на диоде Шоттки. Если напряжение на аноде ниже, чем на катоде, транзистор закрывается.
Для мониторинга падения напряжения на транзисторе используется специальный усилитель. Проблема заключается в том, как выбрать значение напряжения порога переключения и величину гистерезиса компаратора. Например, если открывать транзистор при падении напряжения 25 мВ, а закрывать при 5 мВ, это может привести к тому, что при малых токах нагрузки ключ просто закроется. Установка порога на уровне –5 мВ приведет к тому, что ток потечет от нагрузки ко входу. Чтобы исключить эти проблемы, падение напряжения между стоком и истоком открытого транзистора поддерживается с помощью специального следящего усилителя на уровне 25 мВ. При росте тока нагрузки повышается также и управляющее напряжение на затворе транзистора, и соответственно, снижается сопротивление открытого канала.

Таким способом падение напряжения на транзисторе поддерживается почти постоянным на уровне 25 мВ.
На определенном этапе при увеличении тока падение напряжения на транзисторе начинает расти пропорционально току (I

LOAD∙R_DSON). На рисунке 3 приведены вольт-амперные характеристики диода Шоттки (B530C) и идеального диода [3, 7]. Предложенный метод управления МОП-транзистором позволяет реализовать плавное переключение транзистора и даже при небольших токах нагрузки получить минимальную разницу напряжения между стоком и истоком.

 

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики идеального диода и диода Шоттки

В микросхеме LTC4358 (Linear Tech­nology) материализована идея создания идеального диода на базе встроенного на кристалл МОП-транзистора с каналом N-типа, имеющего сопротивление (R_DSON) открытого канала 0,02 Ом. Напряжение питания ИС составляет 9,0…26,5 В; максимальный ток: 5 А; время отключения транзистора при превышении тока ограничения — 0,5 мкс.

Микросхема LTC4358 предназначена для замены диодов в схемах переключения источников питания, к которым подключается нагрузка, построенных на основе схемы монтажного ИЛИ. Графики зависимости мощности, рассеиваемой на идеальном диоде (LTC4358) и на диоде Шоттки типа B530C показаны на рисунке 4. Микросхема LTC4358 изготавливается в корпусе 14-DFN и имеет размеры 4×3 мм.
Кроме того, компания Linear Technology предлагает и другие ИС, например, LTC4352/55/57, LTC4411/13/ 16. Микросхемы LTC4352/55/57 и LTC4416, по сути, являются контроллерами идеального диода, и для этой цели используется внешний МОП-транзистор, в микросхемах LTC4411/13 — встроенный. Миниатюрная ИС LTC4411 предназначена для автоматического переключения нагрузки между сетевым адаптером и аккумулятором в схемах, построенных на основе монтажного ИЛИ. Напряжение входного источника 2,6…5,5 В, ток потребления в статическом режиме не более 40 мкА (при токе нагрузки до 100 мА). Максимальное сопротивление открытого канала встроенного МОП-транзистора с каналом P-типа составляет 0,14 Ом, максимальный прямой ток — 2,6 А, ток утечки — менее 1 мкА. В микросхеме предусмотрена защита от перегрева корпуса. Для подключения ИС LTC4411 не требуются дополнительные внешние компоненты. Микросхема LTC4411 изготавливается в корпусе SOT-23-5.
В контроллерах зарядки LTC4066, LTC4085, построенных на основе линейного регулятора, также реализован идеальный диод. Напряжение питания ИС 4,35…5,50 В. Сопротивление идеального диода, используемого для подключения аккумулятора к нагрузке, при токе 3 А составляет всего 50 мОм. В контроллерах предусмотрена возможность ограничения входного тока на уровне 100 или 500 мА. Микросхемы LTC4066 изготавливаются в корпусе 24-QFN (4×4 мм).

 

а)	б)
Рис. 4. Графики зависимости мощности, рассеиваемой на ИС LTC4358 и диоде B530C, от протекающего через них тока (а) и схема включения LTC4358 (б)

Микросхемы LTC4088/LTC4098 — контроллеры зарядки литиево-ионных аккумуляторов, обеспечивающие за счет применения в них импульсного регулятора не только высокий КПД, но и реализацию технологии разделения путей протекания токов нагрузки и зарядки, получившую название Switching PowerPath. ИС LTC4088/98 содержат импульсный понижающий напряжение регулятор и линейный регулятор тока зарядки аккумулятора. В конфигурации, приведенной на рисунке 5, разница напряжения V_IN – V_OUT хотя и сохраняется почти прежней (см. рис. 2), однако потери мощности существенно меньше, т.к. КПД регулятора достаточно высок (примерно, 92% при выходном токе 300 мА). Напряжение V_OUT лишь на несколько сотен милливольт выше V_BAT. Принятые в этих микросхемах меры обеспечивают незначительные потери мощности.

 

Рис. 5. Упрощенная структурная схема LTC4088

Микросхема LTC4088 — высокоэффективный контроллер зарядки литиево-ионных аккумуляторов, обеспечивающий максимальный ток зарядки 1,5 А. В качестве внешнего источника питания можно использовать как сетевой адаптер, так и USB-порт. Напряжение питания LTC4088 — 4,25…5,50 В. Допускаются выбросы входного напряжения амплитудой до 7 В. Ток ограничения: 100, 500 или 1000 мА. Частота преобразования понижающего напряжение импульсного стабилизатора составляет 2,25 МГц. Подключение аккумулятора к нагрузке осуществляется с использованием встроенного аналога идеального диода с сопротивлением в открытом состоянии 0,18 Ом. Предусмотрена также возможность подключения дополнительного внешнего МОП-транзистора с каналом P-типа параллельно встроенному идеальному диоду, что позволяет существенно снизить суммарное сопротивление комбинированного ключа (см. рис. 6). Кроме того, в микросхеме LTC4088 реализован автономный стабилизатор напряжения с выходным напряжением 3,3 В, обеспечивающий ток нагрузки до 25 мА.

 

Рис. 6. Графики зависимости сопротивлений идеального диода (LTC4088) и комбинированного ключа от напряжения на аккумуляторе

Микросхема LTC4088 изготавливается в корпусе 14-DFN и имеет размеры 4×3 мм. Максимальная температура корпуса 125°C, тепловое сопротивление 37°C/Вт. ИС LTC4098 — в корпусе 20-DFN с размерами 4×3 мм, ее тепловое сопротивление 43°C/Вт. Диапазон рабочих температур: –40…85°C.
Микросхемы bq2410x (Texas In­stru­ments) обеспечивают максимальный ток зарядки аккумулятора до 2 А. Частота преобразования понижающего напряжение импульсного регулятора составляет 1,1 МГц. Микросхемы bq2410x содержат встроенные ключи, выполненные на базе МОП-тран­зис­торов, используемые для подключения к нагрузке сетевого адаптера или аккумулятора. Максимальный КПД — 93%.
Микросхемы bq2410х изготавливаются в корпусе 20-QFN (3,5×4,5 мм). Допустимая мощность рассеивания до температуры кристалла 40°C составляет 1,81 Вт, тепловое сопротивление — 46,87°C/Вт. Диапазон рабочих температур: –40…85 °C.
Как и для ИС, созданных на базе линейных регуляторов (к примеру, MAX1811, LTC4065/69/95, MCP73831/2, MCP73811, bq2402x/3х/6х, bq2057, bq24085), так и в случае использования импульсных преобразователей, есть два варианта подключения нагрузки и аккумулятора: непосредственное подключение (в одну точку) и подключение с возможностью выбора путей протекания зарядного тока и тока нагрузки.
Существует два варианта непосредственного подключения нагрузки к аккумулятору. В первом случае нагрузка подключается после измерительного резистора R_SNS (см. рис. 7а), а во втором — до него (см. рис. 7б). В первом варианте входное напряжение V_IN преобразуется в напряжение V_OUT с высоким КПД. При подключенном сетевом адаптере обеспечивается энергопитание нагрузки и одновременно зарядка аккумулятора, в случае отключения адаптера питание нагрузки осуществляется от аккумулятора.

 

a)	б)
Рис. 7. Структурные схемы подключения нагрузки до (а) и после (б) измерительного резистора

Преимущества первого варианта топологии:
– при отключенном адаптере энергопитание нагрузки осуществляется непосредственно от аккумулятора с минимальными потерями мощности;
– возможно использование технологии динамического управления током зарядки аккумулятора (Dyna­mic Power Management — DPM), что позволяет за счет динамического снижения тока зарядки предотвратить потенциальную ве­роятность перегрузки ИС по току зарядки и перегрева ее корпуса при пиковых нагрузках, а, кроме того, сохраняется возможность ограничения суммарного входного тока;
– малы изменения напряжения на нагрузке;
– достаточно просто на программном уровне реализуется режим токового мягкого старта.
При выборе топологии подключения аккумулятора к нагрузке следует принимать во внимание некоторые особенности. Если средний ток нагрузки длительное время достаточно велик, то процесс зарядки затягивается, и возникает ситуация, при которой аккумулятор непрерывно находится в процессе зарядки, что сокращает его срок службы. Поскольку предел ограничения суммарного тока фиксирован на аппаратном уровне, то при достаточно большом токе через нагрузку ток зарядки аккумулятора также снижается, что приводит к чрезмерному увеличению времени зарядки аккумулятора до его полной емкости, и поэтому вполне вероятна ситуация, при которой будет просто невозможно полностью его зарядить.
Если при заряженном аккумуляторе ток нагрузки увеличится, то вследствие падения напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора выходное напряжение может снизиться до порога, при котором будет инициироваться очередной цикл зарядки, который, в свою очередь, быстро завершится. Таким образом, возможна ситуации, при которой процесс зарядки будет стартовать циклически. При небольшом токе нагрузки интервал времени от момента уменьшения выходного напряжения (за счет падения напряжения на аккумуляторе) до необходимого порога для старта очередного процесса зарядки существенно увеличивается.
В фазе предварительной зарядки (при напряжении на аккумуляторе ниже 3,0 В) ток зарядки составляет примерно 10% номинальной емкости аккумулятора, чего зачастую слишком мало для энергоснабжения продолжающего работать устройства, которое в этом случае вынуждено подпитываться от аккумулятора, а последний соответственно продолжает разряжаться. Кроме того, поскольку для предварительной фазы зарядки отводится определенный задаваемый специальным таймером интервал времени, в течение которого напряжение на аккумуляторе должно достичь порога 3,2 В, то создается ситуация, при которой напряжение на аккумуляторе не возрастает, а таймер начинает сигнализировать, что аккумулятор неисправен.
Не следует забывать, что основной недостаток непосредственного подключения аккумулятора к нагрузке заключается в том, что при полностью или глубоко разряженном аккумуляторе напряжение на нагрузке (даже при условии подключения сетевого адаптера) равно напряжению на аккумуляторе, чего бывает явно недостаточно для работы устройства, и, конечно, во многих случаях это просто недопустимо.
Во втором варианте (см. рис. 7б) нагрузка подключена до измерительного резистора (R_SNS). Эта топология, по сравнению с той, в которой нагрузка подключена после резистора, имеет ряд преимуществ. Основным является то, что в ней контролируется ток, протекающий только через аккумулятор, и поэтому все три режима зарядки (предварительный, режим собственно зарядки с током, равным величине емкости аккумулятора и режим завершения) работают без каких-либо проблем, связанных с протеканием тока через нагрузку.
Глубоко разряженный аккумулятор можно без риска подключать к контроллеру зарядки, не опасаясь завершения работы таймера, определяющего безопасную продолжительность предварительной фазы зарядки, еще до окончания этого этапа. Следует также принимать во внимание, что суммарный ток через контроллер зарядки ограничен на уровне максимально допустимого тока через кристалл, а также работой системы защиты от перегрева ИС. Ток зарядки не уменьшается при росте тока нагрузки, поэтому эта топология не используется при больших токах нагрузки.
При больших токах нагрузки и зарядки обеспечить низкий уровень тепловыделения крайне сложно даже при использовании импульсных регуляторов со встроенными транзисторными ключами. Поэтому при больших токах мощные ключи, как правило, не интегрируются на кристалле микросхемы, а размещаются вне ее корпуса.
Примером таких ИС могут служить bq24702/3/5 и bq246хх (Texas Instru­ments), обеспечивающие ток зарядки до 10 А (bq24610/17). В отличие от bq2410x устройства зарядки, созданные на базе ИС bq246хх, содержат внешние ключи. Частота преобразования импульсного стабилизатора ИС bq24610/17 составляет 600 кГц. Кроме того, в контроллерах bq24610/17 реализована технология динамического управления током зарядки аккумулятора DPM, основанная на мониторинге величины входного тока. Для независимого измерения суммарного (входного) тока и тока зарядки аккумулятора в контроллере bq24610 реализованы два прецизионных усилителя. Для подключения нагрузки к адаптеру, а также аккумулятора к нагрузке используются ключи на мощных внешних МОП-транзисторах.
Микросхемы bq24610/17 изготавливаются в корпусе 24-QFN (4×4 мм). Допустимая мощность, рассеиваемая при температуре 25°C, составляет 2,3 Вт; тепловое сопротивление — 43°C/Вт.
Заключение
В заключение в таблицах 1, 2 приведены параметры некоторых контроллеров зарядки, построенных на основе как линейных, так и импульсных регуляторов.

Таблица 1. Параметры контроллеров зарядки, созданных на базе линейных регуляторов

Наименование	MAX1811	MCP73831	bq24020	bq24085	LTC4065	LTC4095	bq24030
Входное напряжение, В	4,35…6,5	3,75…6,0	4,35…6,5		3,75…5,5	4,3…5,5	4,35…16,0
Максимальный ток зарядки, А	0,5	0,5	1,0	0,75	0,75	0,95	2,0
Напряжение аккумулятора, В	4,2
Диапазон рабочих температур, °C	–40…85		–40…125	–40…155	–40…85		–40…125
Тип корпуса (размеры, мм)	8-SO	8-DFN (2×3), SOT-23-5	10-SON (3×3)		6-DFN (2×2)	8-DFN (2×2)	20-QFN (3,5×4,5)

Таблица 2. Параметры контроллеров зарядки, созданных на базе импульсных регуляторов

Наименование	LTC4088	LTC4098	bq24100	bq24702	bq24610
Входное напряжение, В	4,35…5,5		4,35…16	4,5…28	5…28
Максимальный ток зарядки, А	1,5		2,0	2,0	10
Частота преобразователя, МГц	2,25		1,1	0,3	0,6
Напряжение аккумулятора, В	4,2			Программируется
Диапазон рабочих температур, °C	–40…85
Тип корпуса (размеры, мм)	14-DFN (4×4)	20-QFN (3×4)	20-QFN (3,5×4,5)	24-TSSOP	24-QFN (4×4)

 

Схема непосредственного подключения аккумулятора к нагрузке и контроллеру зарядки, созданному на основе линейного регулятора, отличается простотой, а устройства, выполненные на базе этой архитектуры, — более низкой стоимостью. Однако при больших токах нагрузки вряд ли можно рекомендовать использование этой топологии из-за большой вероятности перегрева кристалла ИС. При непосредственном подключении аккумулятора к нагрузке можно достичь минимального изменения уровня напряжения на нагрузке.
Проблема потери мощности сохраняется также и в контроллерах зарядки, созданных на основе непрерывного регулирования, с разделением путей протекания токов нагрузи и зарядки. Более высокого КПД можно достичь за счет применения импульсного регулятора, что позволяет создавать на его базе контроллеры с током зарядки аккумулятора более 10 А. Кроме того, в этих контроллерах зачастую используется технология разделения путей протекания токов нагрузки и зарядки, основным преимуществом которой является высокая надежность.
Более полную информацию о микросхемах зарядки аккумуляторов можно найти в [2–6].

Литература

1. Steven Martin. Speed up Li-ion battery charging and reduce heat with a switching power-path manager. — Linear Technology (www.linear.com).
2. LTC4088. High efficiency battery charger/USB power manager. — Linear Technology (www.linear.com).
3. Meilissa Lum. Ideal diode betters a Schottky by a factor of four in power and space consumption.
4. bq24030, bq24031, bq24032A, bq24035, bq24038. Single-chip charge and system power-path management IC (bqTINY™). — Texas Instruments, 2009 (www.ti.com).
5. Implementations of battery charger and power-path management system using bq2410x/11x/12x (bqSWITCHER™). — Texas Instruments, 2006 (www.ti.com).
6. bq24610, bq24617. Stand-alone synchronous switch-mode Li-ion or Li-polymer battery charger with system power selector and low Iq. — Texas Instruments, 2009 (www.ti.com).
7. Pinkesh Sachdev. 0V to 18V ideal diode controller saves Watts and space over Schottky. — Linear Technology (www.linear.com).

Схема зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов – все, что вам нужно знать Однако схема литий-ионного зарядного устройства отличается от последней.

Далее давайте обсудим их.

Литий-ионный аккумулятор

Вы можете заряжать литий-ионный аккумулятор со скоростью 1С, что эквивалентно номинальной емкости аккумулятора в ампер-часах. Но есть несколько соображений/мер предосторожности, которые необходимо предпринять при зарядке литий-ионного аккумулятора, а именно: 

1. Ваш источник питания должен иметь фиксированный/постоянный выходной ток и напряжение. Предпочтительно использовать аккумулятор с напряжением на 14 % выше, чем указанное на аккумуляторе значение, и на 50 % от его значения в ампер-часах.
2. Кроме того, убедитесь, что зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов оснащено функцией автоматического отключения для прекращения зарядки при достижении полного уровня заряда.
3. В-третьих, входной ток должен быть достаточно низким, чтобы не вызывать нагрев батареи.

Литий-ионный аккумулятор с зарядным устройством

Принципиальная схема

На приведенной ниже схеме показана простая схема зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов.

Но в приведенной выше схеме отсутствует функция регулирования температуры. Следовательно, при зарядке используйте относительно низкий входной ток.

Настройка схемы

Это зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов представляет собой упрощенную схему, для которой требуются следующие компоненты:

• Подстроечный резистор/предустановка
• Резистор 470 Ом 1/4 Вт
• МОП-транзистор

Как работает схема

Выше перечислены некоторые компоненты, необходимые для настройки этой схемы. Кроме того, вам необходимо соблюдать следующие условия:

1. Во-первых, входной ток вашего источника питания должен оставаться значительно низким, чтобы предотвратить повреждение литий-ионного элемента из-за перегрева. Это удобно для продления срока службы батареи.
2. Также отрегулируйте триммер на постоянное напряжение 4,7В. Вы можете реализовать это, подключив следующее:

• Стабилитрон вместо предустановленного
• Резистор 1K вместо резистора 470 Ом для реализации этого.

3. В-третьих, убедитесь, что ваш зарядный ток составляет 0,5C или 50% от значения мАч аккумулятора. Кроме того, было бы полезно, если бы вы добавили этап управления током BJT для управления источником входного сигнала.

Кроме того, важно следить за температурой аккумулятора во время зарядки, чтобы предотвратить его повреждение. Для этого целесообразно использовать относительно низкий входной ток.

Схема цепи

Как настроить схему

Подключите вашу цепь, как показано на схеме выше

ИС LM317 полезна для управления максимальным током и напряжением заряда литий-ионного элемента. Эта защита удобна при зарядке литий-ионных аккумуляторов, поскольку эти элементы подвержены повреждениям.

Кроме того, пара NPN-транзисторов необходима для определения изменений заряда батареи. Для этого вы должны разместить их таким образом, чтобы они находились в непосредственном контакте с перезаряжаемой батареей.

Как работает схема

В первую очередь микросхема LM317 управляет входной мощностью и генерирует выходное напряжение 3,7 В. Кроме того, следующие компоненты управляют соответствующими функциями схемы.

• Во-первых, резистор на 640 Ом ограничивает напряжение заряда от превышения предела полного заряда.
• Кроме того, два транзистора NPN на выводе ADJ микросхемы контролируют температуру литиевой батареи.
• В-третьих, транзисторы важны как ограничители тока. Они достигают этого, устраняя возникновение перегрузки по току в ионно-литиевой аккумуляторной батарее.

Схема цепи

Как настроить цепь

Следуйте схеме выше, чтобы установить цепь. Опять же, основная роль IC 555 заключается в управлении текущей скоростью зарядки. Это гарантирует, что вы зарядите литиевую батарею в пределах безопасного уровня.

IC 555 работает как компаратор в этой схеме с выводами, определяющими пороговые значения напряжения. Однако обнаружение нижнего и верхнего уровней напряжения в первую очередь зависит от настроек предустановки.

Как это работает

В первую очередь, контакты 2 и 6 микросхемы отвечают за контроль нижнего и верхнего пределов напряжения соответственно. Таким образом, подключение разряженной литий-ионной батареи 3,7 В приведет к тому, что контакт 2 микросхемы обнаружит низкий уровень напряжения и установит его высоким. Он инициирует процесс зарядки.

Когда батарея достигнет своего порога полной емкости заряда, контакт 6 изменит выходной сигнал на низкий. Таким образом, это ограничит дальнейшую зарядку. Обратите внимание, что напряжение вашего трансформатора не должно превышать 6 В, а его номинальный ток должен составлять около четверти Ач батареи.

A TP4056 Плата для зарядки литий-ионных аккумуляторов

На рынках вы найдете две формы платы для зарядки литий-ионных аккумуляторов на основе TP4056. У одного есть схема защиты аккумулятора, а у другого ее нет. Тип защиты имеет три модуля, отвечающих за задачу. Они включают в себя:

• A IC защиты аккумулятора-DW01A
• A Двойной N-канальный усилитель мощности MOSFET IC
• TP4056 IC.

Следовательно, тип с функцией защиты имеет три микросхемы, а тип без — только микросхему TP4056. Примечательно, что TP4056 является общим для обоих типов благодаря следующим ключевым характеристикам: 

1. Во-первых, он гарантирует постоянный ток и постоянное напряжение 
2. Кроме того, он имеет пакет SOP и относительно небольшое количество внешних компонентов. Следовательно, он лучше всего подходит для зарядки своими руками.
3. Кроме того, он совместим с источниками питания USB и сетевыми адаптерами.

Как это работает

Для достижения наилучших результатов при зарядке литий-ионного аккумулятора 3,7 В подавайте постоянный ток примерно от 20 до 70 % его емкости. Делать это следует до тех пор, пока оно не достигнет 4,2 В. После этого зарядите аккумулятор постоянным напряжением до падения начальной скорости заряда на 10%. TP4056 отвечает за облегчение вышеуказанного процесса.

Несколько литий-ионных аккумуляторов  

Важно соблюдать осторожность при зарядке литий-ионных аккумуляторов, поскольку во время зарядки они нагреваются. Тем не менее, литий-ионные аккумуляторы легче заряжать более высокими скоростями, чем свинцово-кислотные. Это связано с их способностью заряжаться по курсу 1С.

Крайне важно при зарядке литий-ионных аккумуляторов поддерживать низкую температуру. Следовательно, точная схема датчика температуры удобна.

Вывод

Схема зарядного устройства Li-Ion отличается от схемы свинцово-кислотного аккумулятора, но не является сложной. Мы рассмотрели все основные идеи этой схемы. Для получения дополнительной информации свяжитесь с нами.

Схема зарядного устройства для ионно-литиевых аккумуляторов – что нужно знать

Схема зарядного устройства для ионно-литиевых аккумуляторов пользуется популярностью благодаря превосходной плотности энергии, высокому напряжению элемента и приемлемым характеристикам нагрузки. Все, от небольших электронных устройств, смартфонов и ноутбуков до автомобилей, теперь оснащено литиевыми зарядными устройствами.

Чудодейственная схема зарядного устройства для литиевых батарей состоит в основном из трех элементов — регулируемого регулятора напряжения, переключающих транзисторов и резисторов-ограничителей тока.

С ростом популярности зарядных устройств для литий-ионных аккумуляторов вам необходимо быть в курсе всех важных деталей. Поэтому мы создадим краткий ресурс, посвященный зарядному устройству для литиевых аккумуляторов.

Давайте копать!

Сложно ли заряжать литий-ионный аккумулятор?

Рис. 2: Комплект литий-ионных батарей

В какой-то момент ваша литий-ионная батарея преобразует всю накопленную химическую энергию в электрическую. Когда электролит батареи уменьшается таким образом, вам придется перезарядить устройство.

Зарядить литий-ионный аккумулятор очень просто. Это похоже на то, как вы заряжаете другие батареи. Весь процесс легко представляет собой суммирование настройки, стабилизации и завершения.

Чтобы получить наилучшие результаты от процесса зарядки, необходимо принять во внимание несколько важных соображений. К ним относятся; обеспечение автоматического отключения при полном уровне заряда, подача постоянного напряжения и постоянный ток.

Рис. 3: Схема зарядки литий-ионной батареи

• Необходимые материалы

Необходимы один полевой МОП-транзистор, четвертьваттный резистор на 470 Ом и подстроечный резистор.

• Принцип конструкции

Поскольку эта схема может генерировать и проводить только безопасное количество низкого входного тока, ячейка никогда не перегревается. Таким образом, нет необходимости в регулировании температуры, материалы, используемые в конструкции, обеспечивают это.

• Настройка

Отрегулируйте триммер, чтобы получить постоянный ток 12 В на зарядных клеммах. Подсоедините триммер и резистор 47k. Разрешить постоянный недавний приток около 0,5 ° C, чтобы течь через ячейку.

Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов, использующее LM317 в качестве микросхемы контроллера

Прежде всего, LM317 помогает подавать на выход постоянное и стабильное напряжение. Как и LM338, микросхема LM317 также очень популярна среди схем зарядных устройств.

Дополнительным преимуществом является то, что LM317 очень легко использовать в проекте сборки своими руками.

Рис. 4: Зарядка аккумулятора с помощью LM317

• Необходимые материалы

Вам потребуются материалы для изготовления схемы зарядного устройства для батарей AA. Они включают; резисторы или нагрузки, литий-ионный аккумулятор, несколько проводов, контакты монитора и транзистор интегральной схемы LM317.

• Принцип конструкции

Принцип здесь заключается в том, как постоянное напряжение и постоянный ток обеспечивают зарядку литий-ионной батареи.

• Настройка

Позвольте центральному ползунку предустановки коснуться шины заземления цепи. Настраивайте предустановку до тех пор, пока SCR не отключит подачу напряжения. Подсоедините аккумулятор и включите питание.

Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов с использованием микросхемы IC 555

IC 555 — очень дешевый, популярный и точный таймер; его использование в любой электрической установке заключается в точном определении времени. Несмотря на то, что он имеет применение с частотным разделением, он в основном является источником сигнала тревоги в цепях. 9Рис. 5. Зарядка литиевой батареи с помощью ИС

• Принцип конструкции

Прежде всего, эта схема требует наличия таймера в цепи литий-ионного зарядного устройства. Литий-ионные аккумуляторы обычно не перезаряжаются; они могут разрушить свои клетки.

Вот почему нам нужен таймер в их зарядных устройствах.

• Как настроить

Подключите все контакты датчиков к аккумулятору. Включите IC 555 и трансформатор в схему. Наконец, установите напряжение трансформатора на максимальное значение 6 вольт. Номинальный ток также должен составлять около 1/5 от номинального значения Ач батареи.

Что входит в процесс зарядки нескольких литий-ионных аккумуляторов?

Это способ сделать все, если вы хотите одновременно заряжать не менее 25 литий-ионных аккумуляторов.

Рис. 6. Зарядка нескольких литий-ионных аккумуляторов

• Необходимые материалы

Общее количество литий-ионных элементов для зарядки, один источник напряжения, датчик температуры 2

Контролируя температуру и тепло, рассеиваемое установкой, вы можете одновременно заряжать несколько литий-ионных аккумуляторов.

• Как настроить

Соедините все литий-ионные аккумуляторы параллельно, подключите их к датчику температуры, диоду и источнику питания

Цепь зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов 3,7 В

Создание этого зарядного устройства требует технических знаний, поскольку для успешного выполнения этой задачи необходимо разбираться в пайке поверхностного монтажа.