Микросхемы контроллеров заряда для li ion аккумуляторов. Li-ion и Li-polymer аккумуляторы в наших конструкциях

Интегральные схемы управления питанием от ON Semiconductor (ONS) уже хорошо известны отечественным разработчикам. Это AC/DC-преобразователи и ШИМ-контроллеры, корректоры коэффициента мощности, DC/DC-преобразователи и, конечно, линейные регуляторы. Однако практически ни одно портативное устройство не может обойтись без аккумулятора и, соответственно, без микросхем для его заряда и защиты. Компания ONS имеет в линейке продукции ряд решений для управления зарядом аккумуляторов, которые традиционно для ONS сочетают достаточную функциональность с невысокой стоимостью и простотой применения.

Основные типы применяемых аккумуляторов

В современной электронике наиболее распространены NiCd/NiMH и Li-Ion/Li-Pol аккумуляторы. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы дешевы, а также имеют самое большое количество циклов разряда/заряда и большое значение нагрузочного тока. Основными недостатками являются: высокий саморазряд, а также «эффект памяти», который приводит к частичной потере емкости при частом заряде не до конца разряженного аккумулятора.

Никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы — это попытка устранения недостатков NiCd, в частности «эффекта памяти». Данные аккумуляторы менее критичны к заряду после неполной разрядки и практически в два раза превосходят NiCd по величине удельной емкости. Не обошлось и без потерь, NiMH аккумуляторы обладают меньшим числом циклов разряд/заряд и более высоким саморазрядом по сравнению с NiCd.

Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы обладают самой высокой плотностью энергии, что позволяет им превосходить другие типы аккумуляторов по величине емкости при тех же габаритных размерах. Низкий саморазряд и отсутствие «эффекта памяти» делают этот тип аккумуляторов неприхотливым в использовании. Однако для обеспечения безопасности использования литий-ионные аккумуляторы требуют применения технологий и конструктивных решений (полиолефиновые пористые пленки для изоляции положительного и отрицательного электродов, наличие терморезистора и предохранительного клапана для сброса избыточного давления), которые приводят к увеличению стоимости аккумуляторов на основе лития по сравнению с другими элементами питания.

Литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы — это попытка решить проблему безопасности аккумуляторов на основе лития путем использования твердого сухого электролита вместо электролита в виде геля в Li-Ion. Такое решение позволяет получить схожие с Li-Ion аккумуляторами характеристики при меньшей стоимости. Помимо повышенной безопасности, использование твердого электролита позволяет уменьшить толщину аккумулятора (до 1,5 мм). Единственным недостатком по сравнению с Li-Ion аккумуляторами является менее широкий диапазон рабочих температур, в частности Li-Pol аккумуляторы не рекомендуется заряжать при минусовых температурах.

MC33340/42 — контроль заряда NiCd и NiMH аккумуляторов

В современных портативных приложениях требуется максимально быстрый заряд аккумулятора, предотвращение перезаряда, максимальный срок службы и предотвращение потери емкости. MC33340 и MC33342 — контроллеры заряда от ON Semiconductor, которые сочетают в себе все, что необходимо для быстрого заряда и защиты NiCd и NiMH аккумуляторов.

Контроллеры МС33340/42 реализуют :

• быстрый заряд и «капельную» подзарядку (trickle charge);
• окончание зарядки по изменению напряжения и температуры;
• детектирование одноразовых батарей и отказ от их зарядки;
• программируемое время быстрой зарядки от одного до четырех часов;
• детектирование перезаряда и недозаряда батареи, перегрева и перенапряжения по входу;
• паузу перед отключением зарядки при детектировании по изменению напряжения (177 с для MC33340 и 708 с для MC33342).

Данные контроллеры в сочетании с внешним линейным или импульсным преобразователем образуют законченную систему для зарядки аккумуляторов. Пример такой зарядной схемы с использованием классического стабилизатора LM317 показан на рис. 1.

Рис. 1.

LM317 в данной схеме работает как стабилизированный источник тока с установкой зарядного тока резистором R7:

I chg(fast) = (V ref + I adjR8)/R7. Ток капельной подзарядки устанавливается резистором R5:

I chg(trickle) = (V in — V f(D3) — V batt)/R5. Делитель R2/R1 должен быть рассчитан таким образом, чтобы при полном заряде аккумулятора на входе Vsen было меньше 2 В:

R2 = R1(V batt /V sen — 1).

С помощью выводов t1, t2, t3 трехбитной логикой (ключами на схеме) устанавливается либо время заряда 71…283 мин, либо верхний и нижний пределы детектирования температуры.

На основе представленной схемы компания ON Semiconductor предлагает отладочные платы MC33340EVB и MC33342EVB .

NCP1835B — микросхема для заряда Li-Ion и Li-Pol аккумуляторов

Литиевые аккумуляторы требуют высокой стабильности зарядного напряжения, например, для аккумулятора LIR14500 от компании EEMB зарядное напряжение должно находиться в пределах 4,2±0,05 В. Для заряда аккумуляторов на основе лития ONS предлагает полностью интегрированное решение — NCP1835B. Это микросхема заряда с линейным регулятором, профилем заряда CCCV (constant current, constant voltage) и зарядным током 30…300 мА. Питание NCP1835B может осуществляться либо от стандартного AC/DC-адаптера, либо от USB-порта. Вариант схемы включения представлен на рис. 2.

Рис. 2.

Основные характеристики :

• интегрированный стабилизатор тока и напряжения;
• возможность зарядки полностью разряженной батареи (током 30мА);
• определение окончания зарядки;
• программируемый зарядный ток;
• выходы статуса и ошибки зарядки;
• выход 2,8В для определения присутствия адаптера на входе или питания микроконтроллера током до 2мА;
• входное напряжение от 2,8 до 6,5В;
• защита от продолжительного заряда (программируемое максимальное время заряда 6,6…784 мин).

NCP349 и NCP360 — защита
от перенапряжения с интегрированным
MOSFET-транзистором

Еще одним важным моментом в системах заряда аккумуляторов является защита от превышения допустимого входного напряжения. Решения, предлагаемые ONS, отключают выход от целевой схемы в случае присутствия на входе недопустимого напряжения.

NCP349 — новинка от ONS, которая защищает от перенапряжения по входу до 28 В. Микросхема отключает выход при превышении верхнего порога входным напряжением или если нижний порог не достигнут. Также предусмотрен выход FLAG# для сигнализации перенапряжения на входе. Типовая схема применения показана на рис. 3.

Рис. 3.

Данная микросхема доступна с различными нижними (2,95 и 3,25 В) и верхними (5,68; 6,02; 6,4; 6,85 В) порогами срабатывания, которые закодированы в наименовании. NCP360 обладает такой же функциональностью, что и NCP349, за исключением максимального напряжения на входе: 20 В.

Заключение

Компания ON Semiconductor по сравнению с конкурентами обладает не очень широкой линейкой микросхем для заряда аккумуляторов. Однако представленные решения в своем сегменте характеризуются конкурентоспособными характеристиками и ценой, а также простотой применения.

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!

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.

Приехали миниатюрные платы контроллеров заряда для литий-ионного аккумулятора. Судя по количеству заказов-отзывов на aliexpress , вещица мегапопулярная. Я тоже не удержался и заказал 3 шт. на общую сумму в 1$. Тем более родственники давно просили починить светодиодный фонарь с неисправным кислотным аккумулятором. Чинить буду позже, а пока провел тестирование и немного поразмышлял.

Собственно, подробное описание самой платы можно посмотреть . Даташит на контроллер тоже имеется . Поэтому не буду повторяться. От себя лишь добавлю, что при токе заряда 1 А микросхема контроллера ощутимо греется, в связи с этим перепаял задающий резистор R3 на 2.4 кОм, ток снизился до 550 мА. После переделки плата стала греться где-то до 60 градусов, что вполне терпимо.

Проверил режимы защиты от КЗ в нагрузке и от глубокого разряда аккумулятора. Все работает как и заявлено. При напряжении на аккумуляторе ниже 2.5 В, нагрузка благополучно отключается.

Заряд сильно разряженного аккумулятора (U < 3 В), происходит малым током и только при достижении напряжения 3 В, включается зарядка номинальным током. На аккумуляторе с заявленной ёмкостью 3 А*ч данный процесс занимает время порядка 1 минуты. В этом режиме нагрузка должна быть отключена, иначе заряд аккумулятора происходить не будет. Данную особенность необходимо учитывать если вдруг захочется собрать маломощный низковольтный источник бесперебойного питания. При этом, в случае глубокого разряда аккумулятора, плата автоматически отключит потребителя, а вот его последующее включение необходимо обеспечить только при достижении U > 3.6 В. Но еще нужно рассчитывать ток потребления, дабы создать нормальные условия заряда. Возможно есть еще какие-то "подводные камни", которые не видны на первый взгляд. Например, как поведёт себя аккумулятор в режиме постоянно приложенного напряжения и/или хронического недозаряда?

Если закоротить выход, срабатывает защита и даже после устранения КЗ необходимо отключать нагрузку, только после этого произойдёт сброс защиты. Еще на плате отсутствует вывод для подключения аккумуляторного термодатчика, хотя контроллер предусматривает такую возможность. При большом желании можно подпаяться, но было бы значительно лучше если бы была нормальная контактная площадка и оставлено место для впаивания резистивного делителя.

Лирическое отступление. Несколько лет назад я столкнулся с дефицитом малогабаритных низковольтных ламп накаливания, предвидя что дальше будет только хуже, случайно увидев в продаже, сразу закупил их оптом. На фото лампочка китайского производства 3.8 В, 0.3 А. После непродолжительного свечения обратил внимание что колба закоптилась изнутри! Никогда ранее такого не наблюдал

Оценка характеристик того или иного зарядного устройства затруднительна без понимания того, как собственно должен протекать образцовый заряд li-ion аккумулятора. Поэтому прежде чем перейти непосредственно к схемам, давайте немного вспомним теорию.

Какими бывают литиевые аккумуляторы

В зависимости от того, из какого материала изготовлен положительный электрод литиевого аккумулятора, существует их несколько разновидностей:

• с катодом из кобальтата лития;
• с катодом на основе литированного фосфата железа;
• на основе никель-кобальт-алюминия;
• на основе никель-кобальт-марганца.

У всех этих аккумуляторов имеются свои особенности, но так как для широкого потребителя эти нюансы не имеют принципиального значения, в этой статье они рассматриваться не будут.

Также все li-ion аккумуляторы производят в различных типоразмерах и форм-факторах. Они могут быть как в корпусном исполнении (например, популярные сегодня 18650) так и в ламинированном или призматическом исполнении (гель-полимерные аккумуляторы). Последние представляют собой герметично запаянные пакеты из особой пленки, в которых находятся электроды и электродная масса.

Наиболее распространенные типоразмеры li-ion аккумуляторов приведены в таблице ниже (все они имеют номинальное напряжение 3.7 вольта):

Внутренние электрохимические процессы протекают одинаково и не зависят от форм-фактора и исполнения АКБ, поэтому все, сказанное ниже, в равной степени относится ко всем литиевым аккумуляторам.

Как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы

Наиболее правильным способом заряда литиевых аккумуляторов является заряд в два этапа. Именно этот способ использует компания Sony во всех своих зарядниках. Несмотря на более сложный контроллер заряда, это обеспечивает более полный заряд li-ion аккумуляторов, не снижая срока их службы.

Здесь речь идет о двухэтапном профиле заряда литиевых аккумуляторов, сокращенно именуемым CC/CV (constant current, constant voltage). Есть еще варианты с ипульсным и ступенчатым токами, но в данной статье они не рассматриваются. Подробнее про зарядку импульсным током можно прочитать .

Итак, рассмотрим оба этапа заряда подробнее.

1. На первом этапе должен обеспечиваться постоянный ток заряда. Величина тока составляет 0.2-0.5С. Для ускоренного заряда допускается увеличение тока до 0.5-1.0С (где С - это емкость аккумулятора).

Например, для аккумулятора емкостью 3000 мА/ч, номинальный ток заряда на первом этапе равен 600-1500 мА, а ток ускоренного заряда может лежать в пределах 1.5-3А.

Для обеспечения постоянного зарядного тока заданной величины, схема зарядного устройства (ЗУ) должна уметь поднимать напряжение на клеммах аккумулятора. По сути, на первом этапе ЗУ работает как классический стабилизатор тока.

Важно: если планируется заряд аккумуляторов со встроенной платой защиты (PCB), то при конструировании схемы ЗУ необходимо убедиться, что напряжение холостого хода схемы никогда не сможет превысить 6-7 вольт. В противном случае плата защиты может выйти из строя.

В момент, когда напряжение на аккумуляторе поднимется до значения 4.2 вольта, аккумулятор наберет приблизительно 70-80% своей емкости (конкретное значение емкости будет зависит от тока заряда: при ускоренном заряде будет чуть меньше, при номинальном - чуть больше). Этот момент является окончанием первого этапа заряда и служит сигналом для перехода ко второму (и последнему) этапу.

2. Второй этап заряда - это заряд аккумулятора постоянным напряжением, но постепенно снижающимся (падающим) током.

На этом этапе ЗУ поддерживает на аккумуляторе напряжение 4.15-4.25 вольта и контролирует значение тока.

По мере набора емкости, зарядный ток будет снижаться. Как только его значение уменьшится до 0.05-0.01С, процесс заряда считается оконченным.

Важным нюансом работы правильного зарядного устройства является его полное отключение от аккумулятора после окончания зарядки. Это связано с тем, что для литиевых аккумуляторов является крайне нежелательным их длительное нахождение под повышенным напряжением, которое обычно обеспечивает ЗУ (т.е. 4.18-4.24 вольта). Это приводит к ускоренной деградации химического состава аккумулятора и, как следствие снижению его емкости. Под длительным нахождением подразумевается десятки часов и более.

За время второго этапа заряда, аккумулятор успевает набрать еще примерно 0.1-0.15 своей емкости. Общий заряд аккумулятора таким образом достигает 90-95%, что является отличным показателем.

Мы рассмотрели два основных этапа заряда. Однако, освещение вопроса зарядки литиевых аккумуляторов было бы неполным, если бы не был упомянут еще один этап заряда - т.н. предзаряд.

Предварительный этап заряда (предзаряд) - этот этап используется только для глубоко разряженных аккумуляторов (ниже 2.5 В) для вывода их на нормальный эксплуатационный режим.

На этом этапе заряд обеспечивается постоянным током пониженной величины до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не достигнет значения 2.8 В.

Предварительный этап необходим для предотвращения вспучивания и разгерметизации (или даже взрыва с возгоранием) поврежденных аккумуляторов, имеющих, например, внутреннее короткое замыкание между электродами. Если через такой аккумулятор сразу пропустить большой ток заряда, это неминуемо приведет к его разогреву, а дальше как повезет.

Еще одна польза предзаряда - это предварительный прогрев аккумулятора, что актуально при заряде при низких температурах окружающей среды (в неотапливаемом помещении в холодное время года).

Интеллектуальная зарядка должна уметь контролировать напряжение на аккумуляторе во время предварительного этапа заряда и, в случае, если напряжение долгое время не поднимается, делать вывод о неисправности аккумулятора.

Все этапы заряда литий-ионного аккумулятора (включая этап предзаряда) схематично изображены на этом графике:

Превышение номинального зарядного напряжения на 0,15В может сократить срок службы аккумулятора вдвое. Понижение напряжения заряда на 0,1 вольт уменьшает емкость заряженной батареи примерно на 10%, но значительно продляет срок ее службы. Напряжение полностью заряженного аккумулятора после извлечения его из зарядного устройства составляет 4.1-4.15 вольта.

Резюмирую вышесказанное, обозначим основные тезисы:

1. Каким током заряжать li-ion аккумулятор (например, 18650 или любой другой)?

Ток будет зависеть от того, насколько быстро вы хотели бы его зарядить и может лежать в пределах от 0.2С до 1С.

Например, для аккумулятора типоразмера 18650 емкостью 3400 мА/ч, минимальный ток заряда составляет 680 мА, а максимальный - 3400 мА.

2. Сколько времени нужно заряжать, например, те же аккумуляторные батарейки 18650?

Время заряда напрямую зависит от тока заряда и рассчитывается по формуле:

T = С / I зар.

Например, время заряда нашего аккумулятора емкостью 3400 мА/ч током в 1А составит около 3.5 часов.

3. Как правильно зарядить литий-полимерный аккумулятор?

Любые литиевые аккумуляторы заряжаются одинаково. Не важно, литий-полимерный он или литий-ионный. Для нас, потребителей, никакой разницы нет.

Что такое плата защиты?

Плата защиты (или PCB - power control board) предназначена для защиты от короткого замыкания, перезаряда и переразряда литиевой батареи. Как правило в модули защиты также встроена и защита от перегрева.

В целях соблюдения техники безопасности запрещено использование литиевых аккумуляторов в бытовых приборах, если в них не встроена плата защиты. Поэтому во всех аккумуляторах от сотовых телефонов всегда есть PCB-плата. Выходные клеммы АКБ размещены прямо на плате:

В этих платах используется шестиногий контроллер заряда на специализированной микрухе (JW01, JW11, K091, G2J, G3J, S8210, S8261, NE57600 и пр. аналоги). Задачей этого контроллера является отключение батареи от нагрузки при полном разряде батареи и отключение аккумулятора от зарядки при достижении 4,25В.

Вот, например, схема платы защиты от аккумулятора BP-6M, которыми снабжались старые нокиевские телефоны:

Если говорить об 18650, то они могут выпускаться как с платой защиты так и без нее. Модуль защиты располагается в районе минусовой клеммы аккумулятора.

Плата увеличивает длину аккумулятора на 2-3 мм.

Аккумуляторы без PCB-модуля обычно входят в состав батарей, комплектуемых собственными схемами защиты.

Любой аккумулятор с защитой легко превращается в аккумулятор без защиты, достаточно просто распотрошить его.

На сегодняшний день максимальная емкость аккумулятора 18650 составляет 3400 мА/ч. Аккумуляторы с защитой обязательно имеют соответствующее обозначение на корпусе ("Protected").

Не стоит путать PCB-плату с PCM-модулем (PCM - power charge module). Если первые служат только целям защиты аккумулятора, то вторые предназначены для управления процессом заряда - ограничивают ток заряда на заданном уровне, контролируют температуру и, вообще, обеспечивают весь процесс. PCM-плата - это и есть то, что мы называем контроллером заряда.

Надеюсь, теперь не осталось вопросов, как зарядить аккумулятор 18650 или любой другой литиевый? Тогда переходим к небольшой подборке готовых схемотехнических решений зарядных устройств (тех самых контроллеров заряда).

Схемы зарядок li-ion аккумуляторов

Все схемы подходят для зарядки любого литиевого аккумулятора, остается только определиться с зарядным током и элементной базой.

LM317

Схема простого зарядного устройства на основе микросхемы LM317 с индикатором заряда:

Схема простейшая, вся настройка сводится к установке выходного напряжения 4.2 вольта с помощью подстроечного резистора R8 (без подключенного аккумулятора!) и установке тока заряда путем подбора резисторов R4, R6. Мощность резистора R1 - не менее 1 Ватт.

Как только погаснет светодиод, процесс заряда можно считать оконченным (зарядный ток до нуля никогда не уменьшится). Не рекомендуется долго держать аккумулятор в этой зарядке после того, как он полностью зарядится.

Микросхема lm317 широко применяется в различных стабилизаторах напряжения и тока (в зависимости от схемы включения). Продается на каждом углу и стоит вообще копейки (можно взять 10 шт. всего за 55 рублей).

LM317 бывает в разных корпусах:

Назначение выводов (цоколевка):

Аналогами микросхемы LM317 являются: GL317, SG31, SG317, UC317T, ECG1900, LM31MDT, SP900, КР142ЕН12, КР1157ЕН1 (последние два - отечественного производства).

Зарядный ток можно увеличить до 3А, если вместо LM317 взять LM350. Она, правда, подороже будет - 11 руб/шт .

Печатная плата и схема в сборе приведены ниже:

Старый советский транзистор КТ361 можно заменить на аналогичный p-n-p транзистор (например, КТ3107, КТ3108 или буржуйские 2N5086, 2SA733, BC308A). Его можно вообще убрать, если индикатор заряда не нужен.

Недостаток схемы: напряжение питания должно быть в пределах 8-12В. Это связано с тем, что для нормальной работы микросхемы LM317 разница между напряжением на аккумуляторе и напряжением питания должна быть не менее 4.25 Вольт. Таким образом, от USB-порта запитать не получится.

MAX1555 или MAX1551

MAX1551/MAX1555 - специализированные зарядные устройства для Li+ аккумуляторов, способные работать от USB или от отдельного адаптера питания (например, зарядника от телефона).

Единственное отличие этих микросхем - МАХ1555 выдает сигнал для индикатора процесса заряда, а МАХ1551 - сигнал того, что питание включено. Т.е. 1555 в большинстве случаев все-таки предпочтительнее, поэтому 1551 сейчас уже трудно найти в продаже.

Подробное описание этих микросхем от производителя - .

Максимальное входное напряжение от DC-адаптера - 7 В, при питании от USB - 6 В. При снижении напряжения питания до 3.52 В, микросхема отключается и заряд прекращается.

Микросхема сама детектирует на каком входе присутствует напряжение питания и подключается к нему. Если питание идет по ЮСБ-шине, то максимальный ток заряда ограничивается 100 мА - это позволяет втыкать зарядник в USB-порт любого компьютера, не опасаясь сжечь южный мост.

При питании от отдельного блока питания, типовое значение зарядного тока составляет 280 мА.

В микросхемы встроена защита от перегрева. Но даже в этом случае схема продолжает работать, уменьшая ток заряда на 17 мА на каждый градус выше 110°C.

Имеется функция предварительного заряда (см. выше): до тех пор пока напряжение на аккумуляторе находится ниже 3В, микросхема ограничивает ток заряда на уровне 40 мА.

Микросхема имеет 5 выводов. Вот типовая схема включения:

Если есть гарантия, что на выходе вашего адаптера напряжение ни при каких обстоятельствах не сможет превысить 7 вольт, то можно обойтись без стабилизатора 7805.

Вариант зарядки от USB можно собрать, например, на такой .

Микросхемы не нуждается ни во внешних диодах, ни во внешних транзисторах. Вообще, конечно, шикарные микрухи! Только они маленькие слишком, паять неудобно. И еще стоят дорого ().

LP2951

Стабилизатор LP2951 производится фирмой National Semiconductors (). Он обеспечивает реализацию встроенной функции ограничения тока и позволяет формировать на выходе схемы стабильный уровень напряжения заряда литий-ионного аккумулятора.

Величина напряжения заряда составляет 4,08 - 4,26 вольта и выставляется резистором R3 при отключенном аккумуляторе. Напряжение держится очень точно.

Ток заряда составляет 150 - 300мА, это значение ограничено внутренними цепями микросхемы LP2951 (зависит от производителя).

Диод применять с небольшим обратным током. Например, он может быть любым из серии 1N400X, какой удастся приобрести. Диод используется, как блокировочный, для предотвращения обратного тока от аккумулятора в микросхему LP2951 при отключении входного напряжения.

Данная зарядка выдает довольно низкий зарядный ток, так что какой-нибудь аккумулятор 18650 может заряжаться всю ночь.

Микросхему можно купить как в DIP-корпусе , так и в корпусе SOIC (стоимость около 10 рублей за штучку).

MCP73831

Микросхема позволяет создавать правильные зарядные устройства, к тому же она дешевле, чем раскрученная MAX1555.

Типовая схема включения взята из :

Важным достоинством схемы является отсутствие низкоомных мощных резисторов, ограничивающих ток заряда. Здесь ток задается резистором, подключенным к 5-ому выводу микросхемы. Его сопротивление должно лежать в диапазоне 2-10 кОм.

Зарядка в сборе выглядит так:

Микросхема в процессе работы неплохо так нагревается, но это ей вроде не мешает. Свою функцию выполняет.

Вот еще один вариант печатной платы с smd светодиодом и разъемом микро-USB:

LTC4054 (STC4054)

Очень простая схема, отличный вариант! Позволяет заряжать током до 800 мА (см. ). Правда, она имеет свойство сильно нагреваться, но в этом случае встроенная защита от перегрева снижает ток.

Схему можно существенно упростить, выкинув один или даже оба светодиодов с транзистором. Тогда она будет выглядеть вот так (согласитесь, проще некуда: пара резисторов и один кондер):

Один из вариантов печатной платы доступен по . Плата рассчитана под элементы типоразмера 0805.

I=1000/R . Сразу большой ток выставлять не стоит, сначала посмотрите, насколько сильно будет греться микросхема. Я для своих целей взял резистор на 2.7 кОм, при этом ток заряда получился около 360 мА.

Радиатор к этой микросхеме вряд ли получится приспособить, да и не факт, что он будет эффективен из-за высокого теплового сопротивления перехода кристалл-корпус. Производитель рекомендует делать теплоотвод "через выводы" - делать как можно более толстые дорожки и оставлять фольгу под корпусом микросхемы. И вообще, чем больше будет оставлено "земляной" фольги, тем лучше.

Кстати говоря, бОльшая часть тепла отводится через 3-ю ногу, так что можно сделать эту дорожку очень широкой и толстой (залить ее избыточным количеством припоя).

Корпус микросхемы LTC4054 может иметь маркировку LTH7 или LTADY.

LTH7 от LTADY отличаются тем, что первая может поднять сильно севший аккумулятор (на котором напряжение меньше 2.9 вольт), а вторая - нет (нужно отдельно раскачивать).

Микросхема вышла очень удачной, поэтому имеет кучу аналогов: STC4054, MCP73831, TB4054, QX4054, TP4054, SGM4054, ACE4054, LP4054, U4054, BL4054, WPM4054, IT4504, Y1880, PT6102, PT6181, VS6102, HX6001, LC6000, LN5060, CX9058, EC49016, CYT5026, Q7051. Прежде, чем использовать какой-либо из аналогов, сверяйтесь по даташитам.

TP4056

Микросхема выполнена в корпусе SOP-8 (см. ), имеет на брюхе металлический теплосьемник не соединенный с контактами, что позволяет эффективнее отводить тепло. Позволяет заряжать аккумулятор током до 1А (ток зависит от токозадающего резистора).

Схема подключения требует самый минимум навесных элементов:

Схема реализует классический процесс заряда - сначала заряд постоянным током, затем постоянным напряжением и падающим током. Все по-научному. Если разобрать зарядку по шагам, то можно выделить несколько этапов:

1. Контроль напряжения подключенного аккумулятора (это происходит постоянно).
2. Этап предзаряда (если аккумулятор разряжен ниже 2.9 В). Заряд током 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2 кОм) до уровня 2.9 В.
3. Зарядка максимальным током постоянной величины (1000мА при R prog = 1.2 кОм);
4. При достижении на батарее 4.2 В, напряжение на батарее фиксируется на этому уровне. Начинается плавное снижение зарядного тока.
5. При достижении тока 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2кОм) зарядное устройство отключается.
6. После окончания зарядки контроллер продолжает мониторинг напряжения аккумулятора (см. п.1). Ток, потребляемый схемой мониторинга 2-3 мкА. После падения напряжения до 4.0В, зарядка включается снова. И так по кругу.

Ток заряда (в амперах) рассчитывается по формуле I=1200/R prog . Допустимый максимум - 1000 мА.

Реальный тест зарядки с аккумулятором 18650 на 3400 мА/ч показан на графике:

Достоинство микросхемы в том, что ток заряда задается всего лишь одним резистором. Не требуются мощные низкоомные резисторы. Плюс имеется индикатор процесса заряда, а также индикация окончания зарядки. При неподключенном аккумуляторе, индикатор моргает с периодичностью раз в несколько секунд.

Напряжение питания схемы должно лежать в пределах 4.5...8 вольт. Чем ближе к 4.5В - тем лучше (так чип меньше греется).

Первая нога используется для подключения датчика температуры, встроенного в литий-ионную батарею (обычно это средний вывод аккумулятора сотового телефона). Если на выводе напряжение будет ниже 45% или выше 80% от напряжения питания, то зарядка приостанавливается. Если контроль температуры вам не нужен, просто посадите эту ногу на землю.

Внимание! У данной схемы есть один существенный недостаток: отсутствие схемы защиты от переполюсовки батареи. В этом случае контроллер гарантированно выгорает из строя из-за превышения максимального тока. При этом напряжение питания схемы напрямую попадает на аккумулятор, что очень опасно.

Печатка простая, делается за час на коленке. Если время терпит, можно заказать готовые модули. Некоторые производители готовых модулей добавляют защиту от перегрузки по току и переразряда ( , например, можно выбрать какая плата вам нужна - с защитой или без, и с каким разъемом).

Так же можно найти готовые платы с выведенным контактом под температурный датчик. Или даже модуль зарядки с несколькими запараллеленными микросхемами TP4056 для увеличения зарядного тока и с защитой от переполюсовки (пример).

LTC1734

Тоже очень простая схема. Ток заряда задается резистором R prog (например, если поставить резистор на 3 кОм, ток будет равен 500 мА).

Микросхемы обычно имеют маркировку на корпусе: LTRG (их можно часто встретить в старых телефонах от самсунгов).

Транзистор подойдет вообще любой p-n-p, главное, чтобы он был рассчитан на заданный ток зарядки.

Индикатора заряда на указанной схеме нет, но в на LTC1734 сказано, что вывод "4" (Prog) имеет две функции - установку тока и контроль окончания заряда батареи. Для примера приведена схема с контролем окончания заряда при помощи компаратора LT1716.

Компаратор LT1716 в данном случае можно заменить дешевым LM358.

TL431 + транзистор

Наверное, сложно придумать схему из более доступных компонентов. Здесь самое сложное - это найти источник опорного напряжение TL431. Но они настолько распространены, что встречаются практически повсюду (редко какой источник питания обходится без этой микросхемы).

Ну а транзистор TIP41 можно заменить любым другим с подходящим током коллектора. Подойдут даже старые советские КТ819, КТ805 (или менее мощные КТ815, КТ817).

Настройка схемы сводится к установке выходного напряжения (без аккумулятора!!!) с помощью подстроечного резистора на уровне 4.2 вольта. Резистор R1 задает максимальное значение зарядного тока.

Данная схема полноценно реализует двухэтапный процесс заряда литиевых аккумуляторов - сначала зарядка постоянным током, затем переход к фазе стабилизации напряжения и плавное снижение тока практически до нуля. Единственный недостаток - плохая повторяемость схемы (капризна в настройке и требовательна к используемым компонентам).

MCP73812

Есть еще одна незаслуженно обделенная вниманием микросхема от компании Microchip - MCP73812 (см. ). На ее базе получается очень бюджетный вариант зарядки (и недорогой!). Весь обвес - всего один резистор!

Кстати, микросхема выполнена в удобном для пайки корпусе - SOT23-5.

Единственный минус - сильно греется и нет индикации заряда. Еще она как-то не очень надежно работает, если у вас маломощный источник питания (который дает просадку напряжения).

В общем, если для вас индикация заряда не важна, и ток в 500 мА вас устраивает, то МСР73812 - очень неплохой вариант.

NCP1835

Предлагается полностью интегрированное решение - NCP1835B, обеспечивающее высокую стабильность зарядного напряжения (4.2 ±0.05 В).

Пожалуй, единственным недостатком данной микросхемы является ее слишком миниатюрный размер (корпус DFN-10, размер 3х3 мм). Не каждому под силу обеспечить качественную пайку таких миниатюрных элементов.

Из неоспоримых преимуществ хотелось бы отметить следующее:

1. Минимальное количество деталей обвеса.
2. Возможность зарядки полностью разряженной батареи (предзаряд током 30мА);
3. Определение окончания зарядки.
4. Программируемый зарядный ток - до 1000 мА.
5. Индикация заряда и ошибок (способна детектировать незаряжаемые батарейки и сигнализировать об этом).
6. Защита от продолжительного заряда (изменяя емкость конденсатора С т, можно задать максимальное время заряда от 6,6 до 784 минут).

Стоимость микросхемы не то чтобы копеечная, но и не настолько большая (~1$), чтобы отказаться от ее применения. Если вы дружите с паяльником, я бы порекомендовал остановить свой выбор на этом варианте.

Более подробное описание находится в .

Можно ли заряжать литий-ионный аккумулятор без контроллера?

Да, можно. Однако это потребует плотного контроля за зарядным током и напряжением.

Вообще, зарядить АКБ, к примеру, наш 18650 совсем без зарядного устройства не получится. Все равно нужно как-то ограничивать максимальный ток заряда, так что хотя бы самое примитивное ЗУ, но все же потребуется.

Самое простейшее зарядное устройство для любого литиевого аккумулятора - это резистор, включенный последовательно с аккумулятором:

Сопротивление и мощность рассеяния резистора зависят от напряжения источника питания, который будет использоваться для зарядки.

Давайте в качестве примера, рассчитаем резистор для блока питания напряжением 5 Вольт. Заряжать будем аккумулятор 18650, емкостью 2400 мА/ч.

Итак, в самом начале зарядки падение напряжение на резисторе будет составлять:

U r = 5 - 2.8 = 2.2 Вольта

Предположим, наш 5-вольтовый блок питания рассчитан на максимальный ток 1А. Самый большой ток схема будет потреблять в самом начале заряда, когда напряжение на аккумуляторе минимально и составляет 2.7-2.8 Вольта.

Внимание: в данных расчетах не учитывается вероятность того, что аккумулятор может быть очень глубоко разряжен и напряжение на нем может быть гораздо ниже, вплоть до нуля.

Таким образом, сопротивление резистора, необходимое для ограничения тока в самом начале заряда на уровне 1 Ампера, должно составлять:

R = U / I = 2.2 / 1 = 2.2 Ом

Мощность рассеивания резистора:

P r = I 2 R = 1*1*2.2 = 2.2 Вт

В самом конце заряда аккумулятора, когда напряжение на нем приблизится к 4.2 В, ток заряда будет составлять:

I зар = (U ип - 4.2) / R = (5 - 4.2) / 2.2 = 0.3 А

Т.е., как мы видим, все значения не выходят за рамки допустимых для данного аккумулятора: начальный ток не превышает максимально допустимый ток заряда для данного аккумулятора (2.4 А), а конечный ток превышает ток, при котором аккумулятор уже перестает набирать емкость (0.24 А).

Самый главный недостаток такой зарядки состоит в необходимости постоянно контролировать напряжение на аккумуляторе. И вручную отключить заряд, как только напряжение достигнет 4.2 Вольта. Дело в том, что литиевые аккумуляторы очень плохо переносят даже кратковременное перенапряжение - электродные массы начинают быстро деградировать, что неминуемо приводит к потери емкости. Одновременно с этим создаются все предпосылки для перегрева и разгерметизации.

Если в ваш аккумулятор встроена плата защиты, о которых речь шла чуть выше, то все упрощается. По достижении определенного напряжение на аккумуляторе, плата сама отключит его от зарядного устройства. Однако такой способ зарядки имеет существенные минусы, о которых мы рассказывали в .

Защита, встроенная в аккумулятор не позволит его перезарядить ни при каких обстоятельствах. Все, что вам остается сделать, это проконтролировать ток заряда, чтобы он не превысил допустимые значения для данного аккумулятора (платы защиты не умеют ограничивать ток заряда, к сожалению).

Зарядка при помощи лабораторного блока питания

Если в вашем распоряжении имеется блок питания с защитой (ограничением) по току, то вы спасены! Такой источник питания уже является полноценным зарядным устройством, реализующим правильный профиль заряда, о котором мы писали выше (СС/СV).

Все, что нужно сделать для зарядки li-ion - это выставить на блоке питания 4.2 вольта и установить желаемое ограничение по току. И можно подключать аккумулятор.

Вначале, когда аккумулятор еще разряжен, лабораторный блок питания будет работать в режиме защиты по току (т.е. будет стабилизировать выходной ток на заданном уровне). Затем, когда напряжение на банке поднимется до установленных 4.2В, блок питания перейдет в режим стабилизации напряжения, а ток при этом начнет падать.

Когда ток упадет до 0.05-0.1С, аккумулятор можно считать полностью заряженным.

Как видите, лабораторный БП - практически идеальное зарядное устройство! Единственное, что он не умеет делать автоматически, это принимать решение о полной зарядке аккумулятора и отключаться. Но это мелочь, на которую даже не стоит обращать внимания.

Как заряжать литиевые батарейки?

И если мы говорим об одноразовой батарейке, не предназначенной для перезарядки, то правильный (и единственно верный) ответ на этот вопрос - НИКАК.

Дело в том, что любая литиевая батарейка (например, распространенная CR2032 в виде плоской таблетки) характеризуется наличием внутреннего пассивирующего слоя, которым покрыт литиевый анод. Этот слой предотвращает химическую реакцию анода с электролитом. А подача стороннего тока разрушает вышеуказанный защитный слой, приводя к порче элемента питания.

Кстати, если говорить о незаряжаемой батарейке CR2032, то есть очень похожая на нее LIR2032 - это уже полноценный аккумулятор. Ее можно и нужно заряжать. Только у нее напряжение не 3, а 3.6В.

О том же, как заряжать литиевые аккумуляторы (будь то аккумулятор телефона, 18650 или любой другой li-ion аккумулятор) шла речь в начале статьи.