SC806 - контролер заряду Li-Ion акумулятора

1. Умови заряду Li-Ion і Li-Pol акумуляторів
2. характеристики SC806
3. Підключення SC806 до мікроконтролеру
4. Додаткові функції контролерів заряду Semtech
5. література
6. Інші статті на Цю тему:

Наша сеть партнеров Banwar

2007

Контролер заряду SC806 (Semtech Corporation, США) призначений для побудови компактного повнофункціонального вузла заряду Li-Ion акумулятора для пристроїв з автономним живленням. У статті описується досвід практичного застосування SC806.

З усіх видів акумуляторних батарей широкого застосування Li-Ion і Li-Pol акумулятори виділяються найвищим напругою на осередок (типове значення 3,6 В) і найвищою питомою ємністю (100-160 Вт · год / кг). Разом з поширенням в побутовому секторі електроніки мобільних і автономних пристроїв з підвищеним енергоспоживанням, таких як мобільні телефони, відео- і фотокамери, стали широко доступні акумуляторні батареї на основі літію. Їх вартість постійно знижується, а різноманіття конструктивів відкриває простір для застосування в безлічі електронних приладів, що випускаються навіть порівняно невеликими серіями. Прикладами таких застосувань можуть служити носяться медичні реєстратори, кардіомонітори, діагностичні прилади, засоби збору інформації в торгових і промислових підприємствах, автономні модулі охоронних систем та ін.

Поряд із зазначеними перевагами Li-Ion акумулятори більш вимогливі до режиму заряду, втрачають значну частину ресурсу при розряді нижче порогового значення і залишаються поки більш дорогими, ніж NiCd або NiMH акумулятори. Крім того, Li-Ion акумулятори оснащуються вбудованими схемами захисту, що також позначається на їх вартості. Наявність схем захисту актуально для запобігання можливого вибуху від перегріву або утворення газів, що виділяються в осередку при певних умовах в процесі заряду.

Умови заряду Li-Ion і Li-Pol акумуляторів

Одна з експлуатаційних проблем акумуляторів багатьох типів - це чутливість до температури навколишнього середовища при заряді. Більшість різновидів Li-Ion акумуляторів допускають заряд струмом до 1С (С - номінальна ємність акумулятора) при температурі від +5 до 45 ° C. При температурі від 0 до +5 ° C рекомендується заряджати струмом 0,1. Заряд при мінусовій температурі не рекомендований. Оптимальна температура заряду акумуляторів на основі літію становить +15 ... + 25 ° C [3].

Процес заряду розділяється на три етапи:

• Попередній заряд (Pre-Charge mode [1]). Якщо акумулятор глибоко розряджений, то величина зарядного струму на початковому етапі заряду повинна складати 0,1. Типове значення визначення порогу глибокої разряженности - 2,9 В. Деякі моделі акумуляторів допускають і менший рівень [1].
• Режим швидкого заряду постійним струмом (основний режим, Fast-Charge Constant Current mode). Коли напруга на осередку перевищить документований нижній поріг, заряд можна продовжити значно більшою величиною струму. Заряд проводиться при постійній величині струму. Виробники акумуляторів рекомендують ток зарядки 0,7 с для швидкого заряду в простих зарядний пристрій. Акумулятори допускають заряд більшою величиною струму (1,0 ... 1,5с), але при цьому необхідно контролювати температуру осередки, щоб не допустити її перегрів з подальшим виходом акумулятора з ладу. Напруга на осередку поступово наростає до номінального верхньої межі.
• Режим швидкого заряду постійною напругою до максимальної місткості. Струм заряду при цьому поступово знижується. Похибка величини напруги на клемах акумуляторної батареї в процесі заряду постійною напругою не повинна перевищувати ± 50 мВ.

На рис. 1 зображені основні стадії заряду. Моментом зміни стадії заряду є досягнення акумулятором верхньої межі напруги зарядки. Залежно від марки акумулятора величина напруги заряду може мати й інші значення, але найбільшого поширення набули акумулятори з напругою заряду 4,1 або 4,2 В.

Мал. 1. Стадії заряду Li-Ion і Li-Pol акумуляторів в основному режимі

На рис. 2 показані варіації струму заряду для акумулятора з ємністю 1000 мА · год [3]. У першій фазі заряд йде постійним струмом до досягнення напругою на акумуляторі порогового значення. У цей момент контролер заряду повинен змінити режим заряду. На другому етапі зарядного пристрою необхідно контролювати постійно зменшується струм, і при досягненні нижнього граничного значення (зазвичай 0,03 ... 0,1 [3]) припиняти заряд, тому що Li-Ion і Li-Pol акумулятори дуже чутливі до перезаряду [ 3].

Мал. 2. Тривалість заряду при різних величинах зарядного струму

Додатковою перевагою даного типу акумуляторів є їх повсюдна поширеність в якості батарей, наприклад, для стільникових телефонів. Завдяки своїм компактним розмірам, зручній конструкції і вбудованим в більшість моделей ланцюгах захисту, Li-Ion акумулятори, виготовлені для стільникових телефонів, можуть бути використані в різноманітних пристроях з автономним живленням.

Завдяки широким функціональним можливостям, низької вартості і компактним розмірам контролер заряду SC806 відмінно підходить для застосування в пристроях з автономним живленням. У цій статті в якості заряджає акумулятор для опису різних варіантів включення SC806 обраний акумулятор марки BLB-3, застосовуваний в стільникових телефонах NOKIA 8260. Зазначений акумулятор має ємність 1000 ма · год, внутрішню схему захисту від переразряда нижче 2,7 В і обмеження зарядного струму на рівні 900 мА.

У вузлі заряду, побудованому на SC806, можуть бути реалізовані наступні функції:

• визначення наявності напруги від зовнішнього адаптера;
• визначення наявності акумуляторної батареї;
• визначення стану акумулятора і заряд у всіх описаних вище режимах:
  • попередній заряд глибоко розрядженого акумулятора струмом 0,1 (Pre-Charge mode);
  • дві стадії основного заряду: постійним струмом і постійною напругою з автоматичним перемиканням режиму;
  • автоматичне перемикання в режим моніторингу батареї при зниженні величини зарядного струму до заданої межі;
• індикація режимів роботи контролера;
• автоматичне відключення заряду при перевищенні температури акумулятора (з використанням входу NTC);
• визначення величини струму, що протікає через батарею, на будь-якій стадії заряду;
• можливість управління процесом заряду від зовнішнього контролера системи.

характеристики SC806

SC806 - це контролер, призначений для побудови вузла заряду одного осередку Li-Ion акумулятора і повністю реалізує весь алгоритм заряду Li-Ion акумулятора.

Контролер забезпечує пряме підключення світлодіодних індикаторів до відповідних виходів з відкритим стоком. Індикатори відображають наявність напруги від зовнішнього джерела, наявність акумулятора, всі режими заряду і аварійний стан.

Контролер також має два керуючих входа- перемикання між режимами заряду і моніторингу, а також вхід контролю температури акумулятора.

SC806 випускається в мініатюрному корпусі MLP 3 × 3 мм з 10 висновками і вимагає невелика кількість пасивних зовнішніх компонентів (в мінімальній конфігурації включення - 2 резистора і 2 конденсатора) [2]. Типова схема включення показана на рис. 3.

Мал. 3. Типова схема зарядного пристрою на основі контролера заряду SC806IMLTRT

Призначення висновків SC806:

Vcc - вхід підключення зовнішнього адаптера.

DIS - вхід включення-виключення заряду. Низький логічний рівень включає контролер в режим заряду, а при збільшенні напруги вище 1,0 В контролер перемикається в режим моніторингу акумулятора. Залишати непідключеним даний вхід не можна.

CHRGB і CPB - виходи, реалізовані на МОП-транзисторах з відкритим стоком для прямого підключення світлодіодних індикаторів.

• Стан виходу CHRGB відображає поточний режим роботи зарядного вузла:
  • нізкоомное стан означає, що контролер знаходиться в процесі заряду акумулятора;
  • високоомне стан встановлюється після зменшення зарядного струму нижче порога, заданого резистором Rterm на виході ITERM;
  • режим мерехтіння з частотою 1 Гц встановлюється при аварійному стані (перегрів контролера або перевищення межі вхідної напруги).
• Вихід CPB переходить в низький логічний рівень при напрузі на вході Vcc вище 3,0 В. Контроль напруги на вході Vcc здійснюється незалежно від стану входу DIS.

NOBAT - вихід, який сигналізує про відсутність батареї. Висновок перемикається в високоомне стан при встановленій батареї і в логічну одиницю, якщо батарея відсутня.

NTC - вхід контролю температури акумулятора. Підключається через резистор до Vcc і через термозалежні елемент всередині батареї до GND. Коли напруга на вході NTC перевищує 90% від напруги Vcc, відбувається перемикання виходу NOBAT в високий логічний рівень. Вхід NTС управляє тільки станом виходу NOBAT і не впливає на процес зарядки. Для автоматичного припинення процесу заряду при використанні NTC елементів необхідно з'єднати вихід NOBAT з входом DIS. В цьому випадку логічна одиниця, сформована на виході NOBAT при перевищенні порога на вході NTC, припинить процес заряду.

ITERM і IPRGM призначені для підключення зовнішніх токозадающіх резисторів, їх правильний підбір дозволяє вибрати оптимальні для кожної модифікації акумулятора струми попереднього і основного режимів заряду, а також ток порога завершення заряду.

VOUT - висновок для підключення батареї. Після закінчення процесу заряду SC806 переходить в режим стеження за станом батареї (режим моніторингу). При зниженні напруги на 0,1 В контролер відновлює заряд. Крім того, контролер SC806 забезпечений внутрішнім захистом від перегріву і індикатором некоректного рівня вхідного напруги.

SC806 забезпечує постійний струм заряду до 1,0 А і діапазон вхідної напруги від 3,15 до 6,4 В (максимальне напруження 7,0 В [2]).

Функціональні можливості SC806 дозволяють побудувати гнучкий і надійний вузол заряду на мінімальній площі друкованої плати.

Підключення SC806 до мікроконтролеру

SC806 дозволяє створювати функціонально закінчені зарядні пристрої, які здійснюють весь процес заряду в автономному режимі. Але якщо зарядний пристрій на основі SC806 вбудовано в Мікроконтроллерні (мікропроцесорну) систему, контролювати стан і управляти роботою вузла може ядро ​​системи.

Системний мікроконтролер може отримувати інформацію про стан зарядного вузла з виходів SC806 CHRGB, CPB, NOBAT і включати або вимикати заряд сигналом, що подається на вхід DIS.

Виходи з відкритим стоком CHRGB і CPB служать для індикації стану зарядного пристрою. Підключивши їх до портів загального призначення мікроконтролера, можна контролювати роботу вузла заряду і, наприклад, програмно інтерпретувати характер зміни сигналів для виведення інформації про стан вузла на знакосінтезірующіх або графічний РКІ в більш інформативному текстовому або графічному вигляді.

Рівень напруги на контакті IPRGM пропорційний силі струму через акумулятор, а на контакті NTC - його температурі. Контакт IPRGM - це один з входів компаратора. До другого входу даного компаратора підключений джерело опорного напруги 1,5 В. Зміна потенціалу на IPRGM дозволяє регулювати поріг обмеження зарядного струму. Таким чином, можна виробляти прискорений заряд акумулятора більшою силою струму. При цьому важливо контролювати температуру акумулятора за рівнем напруги на контакті NTC і при її підвищенні знижувати поріг обмеження струму заряду. На рис. 4 наведена залежність напруги на виводі IPRGM і величини помилки цієї напруги від струму заряду.

Мал. 4. Залежність напруги на виводі IPRGM від струму заряду

Необхідно відзначити, що величина струму попереднього заряду, а також порогу припинення заряду визначається потенціалом на вході ITERM. На рис. 5а, б показана залежність струмів основного та попереднього або порогового заряду від опорів, підключених до IPRGM і ITERM відповідно. Величина даного струму може бути визначена і за такими формулами:

де PCI - струм попереднього заряду, А; ITERM - порогове значення струму припинення заряду, А; Rterm - опір, Ом; підключений до висновку ITERM (R3 на рис. 3).

де FCI - ток основного заряду, А; Rprgm - опір, Ом; підключений до висновку IPRGM (R4 на рис. 3).

Мал. 5. Графічне представлення залежності струму FCI від Rprgm (а) і графічне представлення залежності струму PCI від Rterm (б)

Для того щоб зарядити акумулятор до максимальної місткості, необхідно встановити низький поріг припинення заряду. Але струм попереднього заряду при цьому буде настільки ж низьким, що призведе до збільшення часу попереднього заряду. Для більш ефективного управління необхідно встановлювати різні значення струмів цих режимів. Щоб зробити різними величини струмів попереднього заряду і порога припинення заряду, необхідно встановлювати потенціал на вході ITERM індивідуально в кожному режимі. Зміна може проводитися шляхом перемикання опорів. Реалізація такої функції обов'язково повинна супроводжуватися контролем температури акумулятора, так як з часом акумулятор втрачає початкову ємність і занадто низький поріг припинення заряду може викликати незворотні наслідки через нетерпимість Li-Ion акумуляторів до перезаряду.

Використання цифрового потенціометра як Rprgm дозволяє побудувати зарядний вузол з динамічно керованим значенням струму на етапі основного заряду. Такі можливості можуть бути використані при створенні універсального зарядного пристрою, призначеного для декількох моделей акумуляторів, які мають різну електричну ємність. Динамічне управління установками важливо також для забезпечення можливості заряду при низьких значеннях температури навколишнього середовища. Як уже згадувалося, при температурі від 0 до 5 ° C все струми заряду необхідно знижувати до величин, які перевищують 0,1 [3].

На рис. 6 представлена ​​одна зі схем підключення SC806 до мікроконтролеру: вказані напрямки передачі інформації і керуючих команд. Зовнішній контролер отримує інформацію про процес заряду (лінія CHRGB), підключенні зовнішнього адаптера (лінія CPB), інформацію про наявність батареї і спрацьовуванні порога NTC (лінія NOBAT) і може здійснювати включення-виключення процесу заряду (лінія DIS). Величина струму, що протікає через батарею, може бути визначена шляхом вимірювання напруги на лінії IPRGM, а температура - через лінію NTC. Контролер за допомогою деякого комутаційного пристрою має можливість змінювати значення опору на виведення ITERM, що дозволяє реалізувати різні значення порога припинення заряду і величину струму попереднього заряду.

Мал. 6. Можлива схема підключення SC806 до мікроконтролеру

При проектуванні друкованої плати зарядного вузла необхідно враховувати, що провідники силових ланцюгів повинні забезпечувати мінімальне падіння напруги при силі струму до 1,0 А. Виробник рекомендує встановлювати розв'язують конденсатори номіналом по 0,1 мкФ поблизу терміналів підключення адаптера і акумулятора для компенсації імпульсних перешкод від брязкоту при гарячому підключенні адаптера. Якщо відстань від SC806 до терміналів перевищує 25-30 мм, може знадобитися установка додаткових помехоподавляющих конденсаторів безпосередньо біля терміналів і у контролерів (Layout Guidelines [2]).

В процесі зарядки контролер SC806 нагрівається. Для ефективного розсіювання тепла виробник рекомендує на нижній площині друкованої плати під корпусом контролера відвести площу фольги 25 × 25 мм. Не рекомендується також розташовувати поруч з контролером термочутливих елементи схеми.

Додаткові функції контролерів заряду Semtech

Контролер SC806 є найпростішим в серії SC80x. Інші контролери серії підтримують ряд додаткових функцій. Наприклад, контролер SC805 оснащений вбудованим таймером і виконує функцію стабілізатора напруги з малим падінням напруги (LDO). Повний перелік контролерів заряду серії SC80x Semtech і їх функціональна наповненість наведені в таблиці.

Таблиця. Функціональність і параметри контролерів заряду Semtech

Таймер є одним з елементів схеми запобігання незворотних наслідків роботи несправного акумулятора: якщо умова завершення заряду не настає протягом часу, обмеженого установкою таймера, то процес заряду припиняється і контролер встановлює індикацію аварії. Безконтрольне продовження зарядного процесу, якщо акумулятор несправний (наприклад, коли паразитний струм витоку перевищує поріг припинення заряду, або несправний датчик температури), може викликати його загоряння і вибух.

Наявність додаткової функції LDO у зарядного контролера є дуже зручним. В цьому випадку, при підключеному до пристрою зовнішньому джерелі живлення і повністю зарядженому акумуляторі, зарядний контролер може не тільки стежити за станом акумулятора, але і виконувати другу корисну роботу - лінійного стабілізатора. При цьому скорочується кількість компонентів на платі і загальна вартість пристрою.

Контролери серії SC80x можуть використовуватися також для заряду NiCd і NiMH акумуляторів в режимі заряду постійним струмом. Критерієм закінчення заряду в цьому випадку необхідно вважати обмеження температури згідно з технічним описом застосовуваної моделі акумулятора, а також заряд за таймером.

На закінчення хотілося б відзначити, що завдяки появі малогабаритних і енергоємних акумуляторів і сучасних контролерів заряду, що виконують усі стадії заряду автоматично, процес розробки вузлів харчування для автономної електронної апаратури значно спростився.

література

1. Safety precautions for lithium ion battery packs. http://www.panasonic.com/industrial/battery/oem/images/pdf/Panasonic_LiIon_Precautions.pdf
2. SC806 Miniature High Current Lithium-Ion Battery Charger. Datasheet. http://www.semtech.com/pc/downloadDocument.do?navId=H0,C100,C149,P2432 & id = 623
3. Літій містять акумулятори. http://www.rcmaster.ru/club/articles/electronics/li-ion/index.shtml
4. SC805 Miniature High Current Lithium-Ion Battery Charger. Datasheet. http://www.semtech.com/pc/downloadDocument.do?navId=H0,C100,C149,P2429 & id = 624
5. Акумулятори для мобільних пристроїв - методи заряду. http://www.ixbt.com/mobile/battery-charge.html

Завантажити статтю в форматі PDF

Інші статті на Цю тему:

повідоміті про помилки