Как подключить контроллер заряда li ion аккумулятора. Контроллер заряда Li-Ion на MCP73833

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.

Защита литий-ионных аккумуляторов (Li-ion). Я думаю, что многие из вас знают, что, например, внутри аккумулятора от мобильного телефона имеется ещё и схема защиты (контроллер защиты), которая следит за тем, чтобы аккумулятор (ячейка, банка, итд…) не был перезаряжен выше напряжения 4.2 В, либо разряжен меньше 2…3 В. Также схема защиты спасает от коротких замыканий, отключая саму банку от потребителя в момент короткого замыкания. Когда аккумулятор исчерпывает свой срок службы, из него можно достать плату контроллера защиты, а сам аккумулятор выбросить. Плата защиты может пригодиться для ремонта другого аккумулятора, для защиты банки (у которой нету схем защиты), либо же просто можно подключить плату к блоку питания, и поэкспериментировать с ней.

У меня имелось много плат защиты от пришедших в негодность аккумуляторов. Но поиск в инете по маркировкам микросхем ничего не давал, словно микросхемы засекречены. В инете находилась документация только на сборки полевых транзисторов, которые имеются в составе плат защиты. Давайте посмотрим на устройство типичной схемы защиты литий-ионного аккумулятора. Ниже представлена плата контроллера защиты, собранная на микросхеме контроллера с обозначением VC87, и транзисторной сборке 8814 ():

На фото мы видим: 1 - контроллер защиты (сердце всей схемы), 2 - сборка из двух полевых транзисторов (о них напишу ниже), 3 - резистор задающий ток срабатывания защиты (например при КЗ), 4 - конденсатор по питанию, 5 - резистор (на питание микросхемы-контроллера), 6 - терморезистор (стоит на некоторых платах, для контроля температуры аккумулятора).

Вот ещё один вариант контроллера (на этой плате терморезистор отсутствует), собран он на микросхеме с обозначением G2JH, и на транзисторной сборке 8205A ():

Два полевых транзистора нужны для того, чтобы можно было отдельно управлять защитой при заряде (Charge) и защитой при разряде (Discharge) аккумулятора. Даташиты на транзисторы находились практически всегда, а вот на микросхемы контроллеров - ни в какую!! И на днях вдруг я наткнулся на один интересный даташит на какой-то контроллер защиты литий-ионного аккумулятора ().

И тут, откуда не возьмись, явилось чудо - сравнив схему из даташита со своими платами защиты, я понял: Схемы совпадают, это одно и то же, микросхемы-клоны! Прочитав даташит, можно применять подобные контроллеры в своих самоделках, а поменяв номинал резистора, можно увеличить допустимый ток, который может отдать контроллер до срабатывания защиты.

Контроллеры сами по себе устройства полезные. И чтобы лучше разобрать эту тему, необходимо работать с определённым примером. Поэтому мы и рассмотрим контролер заряда аккумулятора. Что он собой представляет? Как устроен? Какие особенности работы существуют?

Чем занимается контроллер заряда аккумулятора

Он служит для того, чтобы следить за восстановлением энергетических потерь и тратами. Сначала он занимается отслеживанием превращения электрической энергии в химическую, чтобы в последующем при наличии надобности было снабжение требуемых схем или приборов. Сделать контроллер заряда аккумулятора своими руками не сложно. Но его также можно извлечь из источников питания, которые вышли из строя.

Как устроен контроллер

Конечно, универсальной схемы не существует. Но многие в своей работе используют два посдтроечных резистора, которые регулируют верхний и нижний предел напряжения. Когда оно выходит за заданные рамки, то начинается взаимодействие с обмотками реле, и оно включается. Пока оно работает, напряжение не опустится ниже определённого, технически заранее предусмотренного уровня. Тут следует поговорить о том, что существует различный диапазон границ. Так, для аккумулятора может быть установлено и три, и пять, и двенадцать, и пятнадцать вольт. Теоретически всё упирается в аппаратную реализацию. Давайте рассмотрим, как работает контроллер заряда аккумулятора в разных случаях.

Какие бывают типы

Следует отметить значительное разнообразие, которым могут похвастаться контроллеры заряда аккумулятора. Если говорить о их видах, давайте сделаем классификацию в зависимости от сферы применения:

1. Для возобновляемых источников энергии.
2. Для бытовой техники.
3. Для мобильных устройств.

Конечно, самих видов значительно больше. Но поскольку мы рассматриваем контроллер заряда аккумулятора с общей точки зрения, то нам хватит и их. Если говорить про те, что применяются для и ветряков, то в них верхний предел напряжения обычно равняется 15 вольтам, тогда как нижний - 12 В. При этом аккумулятор может генерировать в стандартном режиме 12 В. Источник энергии подключают к нему с использованием нормально замкнутых контактов реле. Что будет, когда напряжение аккумулятора превышает установленные 15 В? В таких случаях контроллером осуществляется замыкание контактов реле. В результате источник электроэнергии с аккумулятора переключается на нагрузочный балласт. Следует отметить, что его не особенно любят ставить для солнечных панелей из-за определённых побочных эффектов. А вот для они являются обязательными. Бытовая техника и мобильные устройства имеют свои особенности. Причем контроллер заряда аккумулятора планшета, сенсорного и кнопочного сотового телефонов являются практически идентичными.

Заглянем в литиево-ионный аккумулятор сотового телефона

Если расковырять любую батарею, то можно заметить, что к выводам ячейки припаивается маленькая Она называется схемой защиты. Дело в том, что требуют наличия постоянного контроля. Обычная схема контроллера представляет собой миниатюрную плату, на которой базируется схема, сделанная из SMD-компонентов. Она в свою очередь делится на две микросхемы - одна из них является управляющей, а другая - исполнительной. Давайте поговорим более детально о второй.

Исполнительная схема

Она базируется на Обычно их два. Сама же микросхема может иметь 6 или 8 выводов. Для раздельного контроля заряда и разряда ячейки аккумулятора используют два полевых транзистора, которые находятся в одном корпусе. Так, один из них может подключать или отключать нагрузку. Второй транзистор делает эти же действия, но уже с источником питания (в качестве которого выступает зарядное устройство). Благодаря такой схеме реализации можно без проблем влиять на работу аккумулятора. При желании ею можно воспользоваться и в другом месте. Но следует учитывать, что схема контроллера заряда аккумулятора и он сам может применяться только к устройствам и элементам, что обладают ограниченным диапазоном работы. Более детально о таких особенностях мы сейчас и поговорим.

Защита от перезаряда

Дело в том, что если напряжение превысит 4,2, то может возникнуть перегрев и даже произойти взрыв. Для этого подбираются такие элементы микросхем, которые будут прекращать заряд при достижении данного показателя. И обычно, пока напряжение не достигнет показателя в 4-4,1 В из-за использования или в процессе саморазряда, дальнейшая зарядка будет невозможной. Это важная функция, которая возложена на контроллер заряда литиевых аккумуляторов.

Защита от переразряда

Когда напряжение достигает критически малых значений, которые делают проблемным само функционирование устройства (обычно это диапазон в 2,3-2,5В), то выключается соответствующий MOSFET-транзистор, который отвечает за подачу тока мобильнику. Далее происходит переход в режим сна с минимальным потреблением. И тут имеется довольно интересный аспект работы. Так, пока напряжение ячейки аккумулятора не станет больше 2,9-3,1 В, мобильное устройство не получится включить для работы в обычно режиме. Наверное, такое вы могли замечать, что когда подключаешь телефон, он показывает, что идёт зарядка, но сам включаться и функционировать в обычном режиме не хочет.

Заключение

Как видите, контроллер заряда Li-Ion-аккумулятора играет важную роль в обеспечении длительности работоспособности мобильных устройств и позитивно сказывается на сроке их службы. Благодаря простоте производства их можно найти практически в любом телефоне или планшете. Если будет желание собственными глазами увидеть, а руками потрогать контроллер заряда Li-Ion-аккумулятора и его содержимое, то при разборе следует помнить, что работа ведётся с химическим элементомв, поэтому следует соблюдать определённую осторожность.

И снова устройство для самоделкиных.
Модуль позволяет заряжать Li-Ion аккумуляторы (как защищённые так и незащищённые) от порта USB посредством кабеля miniUSB.

Печатная плата - двусторонний стеклотекстолит с металлизацией, монтаж аккуратный.




Собрана зарядка на базе специализированного контроллера заряда TP4056.
Реальная схема.


Со стороны аккумулятора, устройство ничего не потребляет и его можно оставлять постоянно подключенным к аккумулятору. Защита от КЗ на выходе - есть (с ограничением тока 110мА). Защита от переполюсовки аккумулятора отсутствует.
Питание miniUSB продублировано пятаками на плате.




Работает устройство так:
При подключении питания без аккумулятора, загорается красный светодиод, а синий периодически помаргивает.
При подключении разряженного аккумулятора, красный светодиод гаснет и загорается синий - начинается процесс заряда. Пока напряжение на аккумуляторе меньше 2,9V, ток заряда ограничен величиной 90-100мА. С повышением напряжения выше 2.9V, ток заряда резко возрастает до 800мА с дальнейшим плавным повышением до номинала 1000мА.
При достижении напряжения 4,1V, ток заряда начинает плавно снижаться, в дальнейшем происходит стабилизация напряжения на уровне 4,2V и после уменьшения зарядного тока до 105мА светодиоды начинают периодически переключаться, показывая окончание заряда, при этом заряд всё равно продолжается с переключением на синий светодиод. Переключение идёт в соответствии с гистерезисом контроля напряжения аккумулятора.
Номинальный ток заряда задаётся резистором 1,2кОм. При необходимости, ток можно уменьшить увеличивая номинал резистора согласно спецификации контроллера.
R (кОм) - I (mA)
10 - 130
5 - 250
4 - 300
3 - 400
2 - 580
1.66 - 690
1.5 - 780
1.33 - 900
1.2 - 1000

Конечное напряжение заряда жёстко задано на уровне 4,2V - т.е. не всякий аккумулятор будет заряжен на 100%
Спецификация контроллера.

Вывод: устройство простое и полезное для выполнения конкретной задачи.