Схема заряду контролера li ion батареї. Li-ion та Li-polymer акумулятори в наших конструкціях. Основні типи застосовуваних акумуляторів

Купувався лот із десяти штук, для переробки живлення деяких пристроїв на li-ion акумулятори ( зараз у них використовується 3АА акумулятора), але в огляді я покажу інший варіант застосування цієї плати, який, хоч і не задіє всі можливості. Просто з цих десяти штук потрібні тільки будуть лише шість, а купувати поштучно 6 із захистом і пару без захисту виходить менш вигідно.

Заснована на TP4056 плата заряду із захистом для Li-Ion акумуляторів зі струмом до 1A призначена для повноцінної зарядки та захисту акумуляторів ( наприклад, популярних 18650) з можливістю підключення навантаження. Тобто. цю плату можна легко вбудувати в різні пристрої, такі як ліхтарики, світильники, радіоприймачі і т.д., з живленням від вбудованого акумулятора літієвого, і заряджати його не виймаючи з пристрою будь-якою USB-зарядкою через microUSB роз'єм. Ще ця плата відмінно підійде для ремонту акумуляторів, що згоріли зарядок Li-Ion.

І так, купка плат, кожна в індивідуальному пакетику ( тут вже звичайно менше, ніж купувалося)

Виглядає хустки ось так:

Можна розглянути нижче встановлені елементи

Зліва microUSB вхід живлення, живлення також продубльовано майданчиками + та - під паяння.

У центрі контролер заряду, Tpower TP4056, над ним пара світлодіодів, що відображають процес заряду (червоний) або закінчення заряду (синій), під ним резистор R3, змінюючи номінал якого можна змінити струм заряду акумулятора. TP4056 заряджає акумулятори за алгоритмом CC/CV і автоматично завершує процес заряджання, якщо струм заряду знижується до 1/10 від встановленого.

Табличка номіналів опору та зарядного струму, згідно специфікації контролера.

• 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

На звороті плати немає нічого, так що її можна, наприклад, приклеїти.

А тепер варіант застосування плати заряду та захисту li-ion акумуляторів.

Нині майже у всіх відеокамерах аматорського формату як джерела живлення використовуються li-ion акумулятори напругою 3,7В, тобто. 1S. Ось один із додатково куплених акумуляторів для моєї відеокамери

Для чого мені стільки? Так, звичайно, моя камера заряджається від БП з номіналами 5В 2А, і купивши окремо штекер USB і відповідний роз'єм, я тепер можу її заряджати і від повербанків ( і це одна з причин навіщо мені, і не тільки мені, їх стільки), Та ось тільки знімати на камеру, до якої ще й тягнеться провід - незручно. Отже треба якось заряджати акумулятори поза камерою.

Я вже показував у таку зарядку

Так-так, це вона, з вилкою американського стандарту, що повертається.

Ось так вона легко поділяється

І ось так, до неї вживлюється плата заряду та захисту літієвих акумуляторів

І звичайно ж, я вивів пару світлодіодів, червоний – процес заряду, зелений – закінчення заряду акумулятора

Друга плата була встановлена ​​аналогічно в зарядку від відеокамери Sony. Так, звичайно, нові моделі відеокамер Sony заряджаються від USB, у них навіть є USB-хвостик, що не від'єднується ( дурне на мій погляд рішення). Але знову ж таки, у польових умовах, знімати на камеру, до якої тягнеться кабель від повербанку менш зручно, ніж без нього. Та й кабель повинен бути досить довгим, а чим довше кабель, тим більше його опір і тим більше на ньому втрати, а зменшувати опір кабелю збільшуючи товщину жил, кабель стає більш товстим і менш гнучким, що не додає зручності.

Так що з таких плат для заряду та захисту li-ion акумуляторів до1А на TP4056 легко можна зробити простий зарядний пристрій для акумулятора своїми руками, переробити зарядний пристрій на живлення від USB, наприклад для заряджання акумуляторів від повербанка, зробити ремонт зарядного пристроюза потреби.

Все написане у цьому огляді можна побачити у відеоверсії:

Спочатку потрібно визначитися з термінологією.

Як таких контролерів розряду-заряду не існує. Це – нонсенс. Немає жодного сенсу керувати розрядом. Струм розряду залежить від навантаження - скільки їй треба, стільки воно і візьме. Єдине, що потрібно робити при розряді, - це стежити за напругою на акумуляторі, щоб не допустити його перерозряду. Для цього застосовують.

При цьому окремо контролери зарядуне тільки існують, але й необхідні для здійснення процесу зарядки li-ion акумуляторів. Саме вони задають потрібний струм, визначають момент закінчення заряду, стежать за температурою тощо. Контролер заряду є невід'ємною частиною будь-якого.

Виходячи зі свого досвіду, можу сказати, що під контролером заряду/розряду насправді розуміють схему захисту акумулятора від занадто глибокого розряду і, навпаки, перезарядження.

Іншими словами, коли говорять про контролера заряду/розряду, йдеться про вбудований майже у всі літій-іонні акумулятори захисту (PCB-або PCM-модулях). Ось вона:

І ось також вони:

Очевидно, що плати захисту представлені у різних форм-факторах та зібрані із застосуванням різних електронних компонентів. У цій статті ми розглянемо варіанти схем захисту Li-ion акумуляторів (або, якщо хочете, контролерів розряду/заряду).

Контролери заряду-розряду

Якщо ця назва так добре зміцнилася в суспільстві, ми теж її використовуватимемо. Почнемо, мабуть, із найпоширенішого варіанту на мікросхемі DW01 (Plus).

DW01-Plus

Така захисна плата для акумуляторів li-ion зустрічається у кожному другому акумуляторі від мобільного телефону. Щоб дістатися до неї, досить просто відірвати самоклейку з написами, якою обклеєний акумулятор.

Сама мікросхема DW01 - шестинога, а два польові транзистори конструктивно виконані в одному корпусі у вигляді 8-ногого складання.

Висновок 1 і 3 – це управління ключами захисту від розряду (FET1) та перезаряду (FET2) відповідно. Порогові напруги: 2.4 та 4.25 Вольта. Висновок 2 - датчик, що вимірює падіння напруги на польових транзисторах, завдяки чому реалізовано захист від перевантаження струмом. Перехідний опір транзисторів виступає ролі вимірювального шунта, тому поріг спрацьовування має дуже великий розкид від виробу до виробу.

Вся схема виглядає приблизно так:

Права мікросхема з маркуванням 8205А - і є польові транзистори, виконують у схемі роль ключів.

S-8241 Series

Фірма SEIKO розробила спеціалізовані мікросхеми для захисту літій-іонних та літій-полімерних акумуляторів від перерозряду/перезаряду. Для захисту однієї банки застосовуються інтегральні схеми серії S-8241.

Ключі захисту від перерозряду та перезаряду спрацьовують відповідно при 2.3В та 4.35В. Захист струму включається при падінні напруги на FET1-FET2 рівному 200 мВ.

AAT8660 Series

LV51140T

Аналогічна схема протекції літієвих однобанкових акумуляторів із захистом від перерозряду, перезаряду, перевищення струмів заряду та розряду. Реалізована із застосуванням мікросхеми LV51140T.

Порогові напруги: 2.5 та 4.25 Вольта. Друга ніжка мікросхеми - вхід детектора перевантаження струмом (граничні значення: 0.2В при розряді і -0.7В при зарядці). Висновок 4 не задіяний.

R5421N Series

Схемотехнічне рішення аналогічне попереднім. У робочому режимі мікросхема споживає близько 3 мкА, в режимі блокування - близько 0.3 мкА (літера С у позначенні) та 1 мкА (літера F у позначенні).

Серія R5421N містить кілька модифікацій, що відрізняються величиною напруги спрацьовування при перезарядженні. Подробиці наведено в таблиці:

SA57608

Ще один варіант контролера заряду/розряду, тільки вже на мікросхемі SA57608.

Напруги, у яких мікросхема відключає банку від зовнішніх ланцюгів, залежить від буквеного індексу. Подробиці див. у таблиці:

SA57608 споживає досить великий струм у сплячому режимі - близько 300 мкА, що відрізняє її від перерахованих вище аналогів в гірший бік (там споживані струми порядку часток мікроампера).

LC05111CMT

Ну і насамкінець пропонуємо цікаве рішення від одного зі світових лідерів з виробництва електронних компонентів On Semiconductor - контролер заряду-розряду на мікросхемі LC05111CMT.

Рішення цікаво тим, що ключові MOSFET вбудовані в саму мікросхему, тому з навісних елементів залишилися тільки кілька резисторів і один конденсатор.

Перехідний опір вбудованих транзисторів становить ~11 міліом (0.011 Ом). Максимальний струм заряду/розряду – 10А. Максимальна напруга між виводами S1 та S2 – 24 Вольта (це важливо при об'єднанні акумуляторів у батареї).

Мікросхема випускається у корпусі WDFN6 2.6x4.0, 0.65P, Dual Flag.

Схема, як і очікувалося, забезпечує захист від перезаряджання/розряду, від перевищення струму в навантаженні та від надмірного зарядного струму.

Контролери заряду та схеми захисту – у чому різниця?

Важливо розуміти, що модуль захисту та контролери заряду - це не одне й те саме. Так, їх функції до певної міри перетинаються, але називати вбудований в акумулятор модуль захисту контролером заряду було б помилкою. Зараз поясню у чому різниця.

Найважливіша роль будь-якого контролера заряду полягає у реалізації правильного профілю заряду (як правило, це CC/CV - постійний струм/постійна напруга). Тобто контролер заряду повинен вміти обмежувати струм зарядки на заданому рівні, тим самим контролюючи кількість енергії, що "заливається" в батарею в одиницю часу. Надлишок енергії виділяється у вигляді тепла, тому будь-який контролер заряду у процесі роботи досить сильно розігрівається.

Тому контролери заряду ніколи не вбудовують в акумулятор (на відміну від плат захисту). Контролери просто є частиною правильного зарядного пристрою та не більше.

Крім того, жодна плата захисту (або модуль захисту, називайте як хочете) не здатна обмежувати струм заряду. Плата лише контролює напруга на самій банку і у разі виходу його за заздалегідь встановлені межі, розмикає вихідні ключі, відключаючи тим самим банку від зовнішнього світу. До речі, захист від КЗ теж працює за таким самим принципом - при короткому замиканні напруга на банку різко просаджується і спрацьовує схема захисту від глибокого розряду.

Плутанина між схемами захисту літієвих акумуляторів і контролерів заряду виникла через схожість порога спрацьовування (~4.2В). Тільки у випадку з модулем захисту відбувається повне відключення банки від зовнішніх клем, а у випадку з контролером заряду відбувається перемикання в режим стабілізації напруги та поступового зниження зарядного струму.

У статті розповімо про контролер заряду Li-Ion на MCP73833.

Малюнок 1.

Попередній досвід

До цього моменту я використовував контролери LT4054 і, чесно кажучи, був ним задоволений:

Він дозволяв заряджати компактні Li-Pol акумулятори ємністю до 3000мАч

Був ультрокомпактен: sot23-5

Мав індикатор заряджання акумулятора

Має купу захистів, що робить з нього чіп, що практично не вбивається.

Малюнок 2.

Додатковим плюсом є те, що перед тим, як я на ньому почав щось робити, я купив їх 50 штук, за дуже скромною ціною.

Недоліки я виявив у роботі, і вони мене, чесно кажучи, поставили в частковий ступор:

Максимальний заявлений струм 1А, думав я. Але вже за 300мА у процесі зарядки чіп прогрівається до 110*С навіть за наявності великих полігонів-радіаторів та радіатора прикріпленого до пластикової поверхні чіпа.

Під час включення теплового захисту там мабуть спрацьовує компаратор, який швидко скидає струм. Внаслідок цього мікросхема перетворюється на генератор, який вбиває батарейку. Таким чином я вбив 2 акумулятори, поки не зрозумів у чому справу з осцилографом.

У зв'язку з цим я отримав проблему з часом заряду пристрою близько 10 годин. Звичайно, це сильно не влаштовувало мене і споживачів моєї електроніки, але що вдієш: всі хотіли збільшити ресурс роботи при тих же параметрах пристрою, а вони в мене часом споживають багато.

У зв'язку з цим я почав шукати контролер, який був би з кудись найкращими параметрамиі можливостями тепловідведення і мій вибір зупинився поки на MCP73833 в основному через те, що дані контролери були у мого друга в наявності, і я свиснув пару штук швидко (швидше за нього) запаяв прототип і провів потрібні мені випробування.

Трохи про самого контролера.

Давайте я не займатимуся повним і досконалим перекладом даташита (хоча це і корисно), а швидко і просто розповім про те, на що я дивився в першу чергу в даному контролері і подобалося мені це чи ні.

1. Загальна схема включення – це те, що впадає у вічі від початку. Легко помітити, що за винятком індикації (яку можна і не робити) обв'язування складається лише з 4 деталей. Вони входять два фільтруючих конденсатора, резистор програмування струму заряду акумулятора і терморезистор на 10к контролю перегріву Li-Ion акумулятора. Ця схема показана малюнку 3. Це безперечно здорово.

Малюнок 3.Схема підключення MCP73833

2. У неї в рази краще з теплом. Це видно навіть за схемою підключення, оскільки видно однакові ніжки, які можна використовувати під відведення тепла. Додатково до цього, глянувши на те, що мікросхема випускається в корпусах msop-10 і DFN-10, які більші за площею поверхні ніж sot23-5. Тим більше, в корпусі DFN-10 є спеціальний полігон, який можна і потрібно використовувати як відведення тепла на велику поверхню. Якщо не вірите, то самі дивіться на малюнок 4. На ньому наведені висновки ніжок у DFN-10 корпусу та рекомендована виробником трасування друкованої плати з відведенням тепла за допомогою полігону.

Малюнок 4.

3. Наявність терморезистора на 10к. Звичайно, в більшості випадків я ним користуватися не буду, тому що я впевнений, що не перегрію батарейку, але є завдання, в яких я маю на увазі повний заряд батарейки всього за 30 хвилин роботи від блока живлення. У таких випадках можливий варіант перегріву самого акумулятора.

4. Досить складна система індикації заряджання акумулятора. Як я зрозумів і спробував: там 1 світлодіод відповідає за те, чи підведено живлення з боку блоку живлення, що заряджає. За ідеєю, штука не така потрібна, але: у мене були випадки, коли я розбивав роз'єм і просто контролер не отримував 5В на вхід. У таких випадках одразу було зрозуміло, що не так. Вкрай корисна фішка для розробників. Для споживачів вона легко замінюється просто світлодіодом по лінії 5В входу, встановленого з резистором, що обмежує його струм.

5. Два інших світлодіоди розбиті на стадії зарядки. Це дозволяє розвантажити МК (якщо не потрібно наприклад показувати на дисплеї заряд акумулятора) у плані обробки заряду на батарейці під час заряджання (індикація зарядився чи ні).

6. Програмування струму заряду у межах. Особисто я спробував витягнути на платі, показаній на малюнку 1 зарядний струм в 1А, і на позначці 890мА плата у стабільному режимі роботи йшла у тепловий захист. Як кажуть люди навколо, при великих полігонах вони чудово витягували з даного контролера і 2А, а за технічним описом граничний струм заряду 3А, але я маю низку сумнівів, пов'язаних з тепловим навантаженням на мікросхему.

7. Якщо вірити даташиту, то в даній мікросхемі є: Low-Dropout Linear Regulator Mode – режим зниженої вхідної напруги. У цих режимах ви, за допомогою DC-DC перетворювача, акуратно можете на час початку заряду трохи знизити напругу на вході мікросхеми, для зменшення її тепловиділень. Особисто я пробував знижувати напругу, і тепла ставало логічно менше, але на цій мікросхемі повинно падати хоча б 0,3-0,4В, щоб вона могла зручно заряджати їй батарейку. Чисто технічно я збираюся зробити невеликий модуль, який це робить автоматично, але грошей і часу на це у мене немає, тому радісно прошу в пошту всіх, хто зацікавився. Якщо вас набереться ще кілька людей, то таку штуку нашим сайтом ми випустимо.

8. Не сподобалося, що корпус дуже маленький. Паяти його без фена (DFN-10) складно, і якісно не вийде, як не крути. З msop-10 краще, але у новачків йде значний час навчитися техніці його паяння.

9. Не сподобалося, що в даному контролері немає вбудованого BMS (захист акумулятора від швидкого заряду/розряду та ще ряду проблем). Але такі штуки є у дорожчих контролерів у тих-таки TI.

10. Сподобалася вартість. Ці контролери не дорогі.

Що далі?

А далі я збираюся впроваджувати цю мікросхему у різні свої ідеї щодо пристроїв. Приміром, зараз уже проводитися на заводі пробна версіяналагоджувальної плати на базі STM32F103RCT6 та 18650 акумуляторів. У мене вже є налагоджувальна плата на даному контролері, яка себе дуже добре зарекомендувала і я хочу доповнити її версією для того, щоб я міг взяти свій робочий проект з собою і не думати про живлення та пошуки розетки, в яку можна вставити блок живлення.

Також я використовуватиму її у всіх рішеннях, де потрібні зарядні струми більше 300мА.

Сподіваюся і ви, зможете застосувати цю корисну та просту мікросхему у своїх пристроях.

Якщо взагалі цікаво про батарейне живлення, то мій особистий відеозапис з приводу батарейного живлення пристроїв.

Всім радіоаматорам добре знайомі плати заряду для однієї банки li-ion акумуляторів. Вона користується великим попитом через низьку ціну і хороші вихідні характеристики.

Застосовується для заряджання вказаних акумуляторів від напруги 5 Вольт. Подібні хустки знаходять широке застосування в саморобних конструкціях з автономним джерелом живлення від літій-іонних акумуляторів.

Випускають ці контролери у двох варіантах - із захистом та без. Ті, що із захистом коштують трохи дорого.

Захист виконує кілька функцій

1) Вимикає акумулятор при глибокому розряді, перезарядженні, перевантаженні та к.з.

Сьогодні ми дуже детально перевіримо цю хустку та зрозуміємо, чи відповідають обіцяні виробником параметри реальним, а також влаштуємо інші тести, погнали.
Параметри плати наведені нижче

А це схеми, верхня із захистом, нижня – без

Під мікроскопом помітно, що плата дуже непоганої якості. Двосторонній склотекстоліт, ніяких "сополі", є шовкографія, всі входи і виходи промарковані, переплутати підключення не реально, якщо бути уважним.

Мікросхема може забезпечити максимальний струм заряду в районі 1 Ампера, цей струм можна змінити підбором резистора Rх (виділено червоним).

І це табличка вихідного струму залежно від опору раніше зазначеного резистора.

Мікросхема визначає кінцеву напругу зарядки (близько 4,2 Вольт) і обмежує струм заряду. На платі є два світлодіоди, червоний і синій (кольори можуть бути іншими). ​​Перший горить у процесі заряду, другий коли акумулятор повністю заряджений.

Є Micro USB роз'єм, куди подається напруга 5 вольт.

Перший тест.
Перевіримо вихідну напругу, до якої буде заряджатися акумулятор, вона повинна бути від 4,1 до 4,2В

Все правильно, претензій немає.

Другий тест
Перевіримо вихідний струм, цих платах за умовчанням виставлений максимальний струм, а це близько 1А.
Навантажуватимемо вихід плати доти, доки не спрацює захист, цим імітуючи велике споживання на вході або розряджений акумулятор.

Максимальний струм близький до заявленого, йдемо далі.

Тест 3
На місце акумулятора підключено лабораторний блокхарчування на якому заздалегідь виставлено напругу в районі 4 вольт. Знижуємо напругу до тих пір, поки захист не відключить акумулятор, мультиметр відображає вихідну напругу.

Як бачимо, при 2,4-2,5 вольтах напруга на виході зникла, тобто захист відпрацьовує. Але це напруження нижче критичного, думаю 2,8 Вольт було б саме воно, загалом не раджу розряджати акумулятор до такої міри, щоб спрацював захист.

Тест 4
Перевірка струму спрацьовування захисту.
Для цих цілей було використано електронне навантаження, плавно збільшуємо струм.

Захист спрацьовує на струмах близько 3,5 Ампер (виразно видно у ролику)

З недоліків зауважу лише те, що мікросхема безбожно нагрівається і не рятує навіть теплоємна плата, до речі – сама мікросхема має підкладку для ефективної тепловіддачі і ця підкладка припаяна до плати, остання відіграє роль тепловідведення.

Додати думаю нічого, всі чудово бачили, плата є відмінним бюджетним варіантомКоли йдеться про контролера заряду для однієї банки Li-Ion акумулятора невеликої ємності.
Думаю це одна з найвдаліших розробок китайських інженерів, яка доступна всім через незначну ціну.
Щасливо залишатися!