8-900-374-94-44
Содержание
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.
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 элементовПолный алгоритм процесса пополнения запаса энергии литий-ионного элемента содержит три стадии:
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).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.
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 токомВ 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 элементаОчевидно, 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.
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.
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.
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 TP4056Резистор 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 DW01AПолный обзор возможностей контроллера TP4056 читайте в статье.
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 LTC4054Этот вариант также формирует все три этапа подзаряда без вмешательства в его работу.
Отличия от предыдущего варианта:
Зависимость тока от сопротивления R2 выглядит, как Iзар=205/Rпрог, где:
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
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.
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.
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].
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 VOUT равно почти 5 В (VIN), а напряжение на аккумуляторе
VBAT = 3,7 В.
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.
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 (RDSON) 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.
В микросхеме предусмотрена защита от перегрева корпуса. Для подключения ИС LTC4411 не требуются дополнительные внешние компоненты. Микросхема LTC4411 изготавливается в корпусе SOT-23-5.
а) | |
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 VIN – VOUT 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 VOUT лишь на несколько сотен милливольт выше VBAT. 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 RSNS (см. рис. 7а), а во втором — до него (см. рис. 7б). В первом варианте входное напряжение VIN преобразуется в напряжение VOUT 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 (RSNS). 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).
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:
Литий-ионный аккумулятор с зарядным устройством
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.
Это зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов представляет собой упрощенную схему, для которой требуются следующие компоненты:
Выше перечислены некоторые компоненты, необходимые для настройки этой схемы. Кроме того, вам необходимо соблюдать следующие условия:
Кроме того, важно следить за температурой аккумулятора во время зарядки, чтобы предотвратить его повреждение. Для этого целесообразно использовать относительно низкий входной ток.
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.
В первую очередь микросхема LM317 управляет входной мощностью и генерирует выходное напряжение 3,7 В.
Кроме того, следующие компоненты управляют соответствующими функциями схемы.
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.
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:
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:
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.
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 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
Необходимы один полевой МОП-транзистор, четвертьваттный резистор на 470 Ом и подстроечный резистор.
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.
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
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 здесь заключается в том, как постоянное напряжение и постоянный ток обеспечивают зарядку литий-ионной батареи.
Позвольте центральному ползунку предустановки коснуться шины заземления цепи. Настраивайте предустановку до тех пор, пока SCR не отключит подачу напряжения. Подсоедините аккумулятор и включите питание.
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
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.
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.
Это способ сделать все, если вы хотите одновременно заряжать не менее 25 литий-ионных аккумуляторов.
Рис. 6. Зарядка нескольких литий-ионных аккумуляторов
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.
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.
