Схема заряда контроллера li ion батареи. Li-ion и Li-polymer аккумуляторы в наших конструкциях. Основные типы применяемых аккумуляторов

Покупался лот из десяти штук, для переделки питания кое-каких устройств на li-ion аккумуляторы (сейчас в них используется 3АА аккумулятора ), но в обзоре я покажу другой вариант применения этой платы, который, хоть и не задействует все её возможности. Просто из этих десяти штук нужны только будут только шесть, а покупать поштучно 6 с защитой и пару без защиты получается менее выгодно.

Основанная на TP4056 плата заряда с защитой для Li-Ion аккумуляторов c током до 1A предназначена для полноценной зарядки и защиты аккумуляторов (к примеру, популярных 18650 ) с возможностью подключения нагрузки. Т.е. данную плату можно легко встроить в различные устройства, такие как фонарики, светильники, радиоприемники и т.д.,с питанием от встроенного литиевого аккумулятора, и заряжать его не вынимая из устройства любой USB-зарядкой через microUSB разъем. Ещё эта плата отлично подойдет для ремонта сгоревших зарядок Li-Ion аккумуляторов.

И так, кучка плат, каждая в индивидуальном пакетике (тут уже конечно меньше чем покупалось )

Выглядит платка вот так:

Можно рассмотреть поближе установленные элементы

Слева microUSB вход питания, питание также продублировано площадками + и - под пайку.

В центре контроллер заряда, Tpower TP4056, над ним пара светодиодов, отображающих либо процесс заряда (красный) либо окончание заряда (синий), под ним резистор R3, изменяя номинал которого можно изменить ток заряда аккумулятора. TP4056 заряжает аккмуляторы по алгоритму CC/CV и автоматически завершает процесс зарядки, если ток заряда снижается до 1/10 от установленного.

Табличка номиналов сопротивления и зарядного тока, согласно спецификации контроллера.

• R (кОм) - I (mA)


• 1.2 - 1000


• 1.33 - 900


• 1.5 - 780


• 1.66 - 690


• 2 - 580


• 3 - 400


• 4 - 300


• 5 - 250


• 10 - 130

С обратной стороны платы нет ничего, так что её можно, например, приклеить.

А теперь вариант применения платы заряда и защиты li-ion аккумуляторов.

Ныне почти во всех видеокамерах любительского формата в качестве источников питания используются li-ion аккумуляторы напряжением 3,7В, т.е. 1S. Вот один из дополнительно купленных аккумуляторов для моей видеокамеры

Зачем мне столько? Да, конечно, моя камера заряжается от БП с номиналами 5В 2А, и купив отдельно штекер USB и подходящий разъем, я теперь могу её заряжать и от повербанков (и это одна из причин зачем мне, и не только мне, их столько ), да вот только снимать на камеру, к которой ещё и тянется провод - неудобно. Значит надо как-то заряжать аккумуляторы вне камеры.

Я уже показывал в вот такую зарядку

Да-да, это она, с поворачивающейся вилкой американского стандарта

Вот так она легко разделяется

И вот так, в неё вживляется плата заряда и защиты литиевых аккумуляторов

И конечно же, я вывел пару светодиодов, красный - процесс заряда, зеленый - окончание заряда аккумулятора

Вторая плата была установлена аналогично, в зарядку от видеокамеры Sony. Да, конечно, новые модели видеокамер Sony заряжаются от USB, у них даже есть не отсоединяющийся USB-хвостик (глупое на мой взгляд решение ). Но опять же, в полевых условиях, снимать на камеру, к которой тянется кабель от повербанка менее удобно чем без него. Да и кабель должен быть достаточно длинным, а чем длиннее кабель, тем больше его сопротивление и тем больше на нем потери, а уменьшать сопротивление кабеля увеличивая толщину жил, кабель становится более толстым и менее гибким, что не добавляет удобства.

Так что из таких плат для заряда и защиты li-ion аккумуляторов до1А на TP4056 легко можно сделать простое зарядное устройство для аккумулятора своими руками, переделать зарядное устройство на питание от USB, например для зарядки аккумуляторов от повербанка, сделать ремонт зарядного устройства при необходимости.

Все написанное в этом обзоре можно увидеть в видеоверсии:

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).

Контроллеры заряда-разряда

Раз уж это название так хорошо укрепилось в обществе, мы тоже будем его использовать. Начнем, пожалуй, с наиболее распространенного варианта на микросхеме DW01 (Plus).

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.

S-8241 Series

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.

AAT8660 Series

LV51140T

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.

R5421N Series

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:

SA57608

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).

LC05111CMT

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.

Контроллеры заряда и схемы защиты - в чем разница?

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.

В статье расскажем про контроллер заряда Li-Ion на MCP73833.

Рисунок 1.

Предыдущий опыт

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.

Немного о самом контроллере.

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.

Что дальше?

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.

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!