الساعة - مصمم. كل شيء لبطاريات الليثيوم: دوائر STM المرحلية لأجهزة الشحن ومراقبة البطارية L6924D وL6924U الدوائر المتكاملة لشحن البطاريات

تعد البطارية مصدر طاقة مشتركًا لمختلف الأجهزة المحمولة والأدوات الذكية والروبوتات... وبدونها، ربما لن تكون فئة الأجهزة المحمولة موجودة أو لن يكون من الممكن التعرف عليها. يمكن اعتبار أحد أحدث أنواع البطاريات بحق ليثيوم أيون وليثيوم بوليمر. لكن الجهاز يعمل، والبطارية مستنفدة، والآن تحتاج إلى الاستفادة من اختلافه الرئيسي عن البطاريات البسيطة - قم بشحنه.

ستتحدث المقالة بإيجاز عن دائرتين صغيرتين شائعتين (بتعبير أدق، حول LTC4054 مشترك وبديل مماثل STC4054) لشحن بطاريات Li-ion ذات العلبة الواحدة.

هذه الدوائر الدقيقة متطابقة، والفرق الوحيد هو في الشركة المصنعة والسعر. ميزة إضافية كبيرة أخرى هي الكمية الصغيرة من الأسلاك - مكونان سلبيان فقط: مكثف دخل 1 ميكروفاراد ومقاوم ضبط التيار. إذا رغبت في ذلك، يمكنك إضافة مؤشر LED - مؤشر لحالة عملية الشحن؛ جهد الإمداد 4.25-6.5 فولت، أي يتم تشغيل الشحن بقوة 5 فولت المعتادة، فليس من قبيل الصدفة أن يتم بناء معظم أجهزة الشحن البسيطة التي تعمل بالطاقة عبر USB على أساس هذه الدوائر الدقيقة. يشحن حتى 4.2 فولت. الحد الأقصى الحالي 800mA.

تعتمد اللوحة على شريحة شحن LTC4054 أو STC4054. مكثف الإدخال بسعة 1 ميكروفاراد من الحجم القياسي 0805. المقاوم الإعداد الحالي 0805، يتم حساب المقاومة أدناه. و LED 0604 أو 0805 بمقاومة محددة للتيار بحجم 0805 عند 680 أوم.

يتم حساب المقاوم (أو تيار الشحن) باستخدام الصيغ التالية:

لأن Vprog=~1V، نحصل على الصيغ المبسطة التالية

بعض الأمثلة الحسابية:

وأخيرًا، بضع صور لخيار شحن USB محلي الصنع لبطاريات الليثيوم بوليمر لطائرة هليكوبتر صغيرة.

في الأجهزة الإلكترونية المحمولة الحديثة، حتى تلك المصممة لتقليل استهلاك الطاقة، أصبح استخدام البطاريات غير المتجددة شيئًا من الماضي. ومن وجهة نظر اقتصادية - بالفعل خلال فترة زمنية قصيرة، فإن التكلفة الإجمالية للعدد المطلوب من البطاريات التي تستخدم لمرة واحدة سوف تتجاوز بسرعة تكلفة بطارية واحدة، ومن وجهة نظر راحة المستخدم - من الأسهل إعادة الشحن البطارية بدلاً من البحث عن مكان شراء بطارية جديدة. وبناء على ذلك، أصبحت أجهزة شحن البطاريات سلعة ذات طلب مضمون. ليس من المستغرب أن ينتبه جميع مصنعي الدوائر المتكاملة لأجهزة إمداد الطاقة تقريبًا إلى اتجاه "الشحن".

قبل خمس سنوات فقط، بدأت مناقشة الدوائر الدقيقة لشحن البطاريات (شواحن البطاريات IC) بمقارنة الأنواع الرئيسية للبطاريات - النيكل والليثيوم. لكن في الوقت الحاضر، توقف استخدام بطاريات النيكل عمليًا، وتوقفت معظم الشركات المصنعة لرقائق الشحن تمامًا عن إنتاج رقائق بطاريات النيكل أو إنتاج رقائق لا تتغير في تكنولوجيا البطاريات (ما يسمى بـ Multi-Chemistry IC). تتضمن مجموعة منتجات STMicroelectronics حاليًا فقط الدوائر الدقيقة المصممة للعمل مع بطاريات الليثيوم.

دعونا نتذكر بإيجاز السمات الرئيسية لبطاريات الليثيوم. مزايا:

• قدرة كهربائية عالية محددة. القيم النموذجية هي 110...160 واط*ساعة*كجم، وهو أعلى بمقدار 1.5...2.0 مرة من نفس المعلمة لبطاريات النيكل. وبناء على ذلك، مع الأبعاد المتساوية، تكون سعة بطارية الليثيوم أعلى.
• انخفاض التفريغ الذاتي: حوالي 10% شهريا. في بطاريات النيكل تكون هذه المعلمة 20...30%.

لا يوجد "تأثير للذاكرة"، مما يجعل من السهل صيانة هذه البطارية: ليست هناك حاجة لتفريغ البطارية إلى الحد الأدنى قبل إعادة الشحن.

عيوب بطاريات الليثيوم:

• الحاجة إلى حماية التيار والجهد. على وجه الخصوص، من الضروري استبعاد إمكانية حدوث قصور في أطراف البطارية، أو إمداد الجهد بقطبية عكسية، أو الشحن الزائد.
• الحاجة إلى الحماية من الحرارة الزائدة: تسخين البطارية فوق درجة حرارة معينة يؤثر سلباً على قدرتها وعمر الخدمة.

هناك نوعان من التقنيات الصناعية لتصنيع بطاريات الليثيوم: الليثيوم أيون (Li-Ion) والليثيوم بوليمر (Li-Pol). ومع ذلك، نظرًا لأن خوارزميات الشحن لهذه البطاريات هي نفسها، فإن شرائح الشحن لا تفصل بين تقنيات الليثيوم أيون والليثيوم بوليمر. لهذا السبب، سوف نتخطى مناقشة مزايا وعيوب بطاريات Li-Ion وLi-Pol، بالإشارة إلى الأدبيات.

دعونا نفكر في خوارزمية شحن بطاريات الليثيوم، الموضحة في الشكل 1.

أرز. 1.

يتم استخدام المرحلة الأولى، والتي تسمى بالشحن المسبق، فقط في الحالات التي تكون فيها البطارية فارغة جدًا. إذا كان جهد البطارية أقل من 2.8 فولت، فلا يمكن شحنها على الفور بأقصى تيار ممكن: سيكون لذلك تأثير سلبي للغاية على عمر البطارية. من الضروري أولاً "إعادة شحن" البطارية بتيار منخفض يصل إلى 3.0 فولت تقريبًا، وبعد ذلك فقط يصبح الشحن بأقصى تيار مسموحًا به.

المرحلة الثانية: الشاحن كمصدر تيار ثابت. في هذه المرحلة، يتدفق التيار الأقصى للظروف المحددة عبر البطارية. وفي الوقت نفسه، يزداد جهد البطارية تدريجيًا حتى يصل إلى القيمة الحدية البالغة 4.2 فولت. وبالمعنى الدقيق للكلمة، عند الانتهاء من المرحلة الثانية، يمكن إيقاف الشحن، ولكن يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن البطارية مشحونة حاليًا بواسطة حوالي 70% من طاقتها. لاحظ أنه في العديد من أجهزة الشحن، لا يتم توفير الحد الأقصى للتيار على الفور، ولكنه يزيد تدريجيًا إلى الحد الأقصى على مدار عدة دقائق - يتم استخدام آلية "البدء الناعم".

إذا كان من المرغوب فيه شحن البطارية بقيم سعتها قريبة من 100%، فإننا ننتقل إلى المرحلة الثالثة: الشاحن كمصدر للجهد الثابت. في هذه المرحلة، يتم تطبيق جهد ثابت قدره 4.2 فولت على البطارية، وينخفض ​​التيار المتدفق عبر البطارية من الحد الأقصى إلى الحد الأدنى المحدد مسبقًا أثناء الشحن. وفي اللحظة التي تنخفض فيها القيمة الحالية إلى هذا الحد، يعتبر شحن البطارية مكتملاً وتنتهي العملية.

دعنا نذكرك أن إحدى المعلمات الأساسية للبطارية هي سعتها (وحدة القياس - ساعة*). وبالتالي، فإن السعة النموذجية لبطارية ليثيوم أيون بحجم AAA هي 750...1300 مللي أمبير. كمشتق من هذه المعلمة، يتم استخدام خاصية "التيار 1C"؛ وهي قيمة تيار تساوي عدديًا السعة المقدرة (في المثال الموضح - 750...1300 مللي أمبير). إن قيمة "1C الحالية" منطقية فقط لتحديد القيمة الحالية القصوى عند شحن البطارية والقيمة الحالية التي يعتبر عندها الشحن مكتملاً. من المقبول عمومًا أن الحد الأقصى لقيمة التيار يجب ألا يتجاوز 1*1C، ويمكن اعتبار شحن البطارية مكتملًا عندما ينخفض ​​التيار إلى 0.05...0.10*1C. ولكن هذه هي المعلمات التي يمكن اعتبارها مثالية لنوع معين من البطاريات. في الواقع، يمكن لنفس الشاحن أن يعمل مع بطاريات من شركات مصنعة مختلفة وبسعات مختلفة، بينما تظل سعة بطارية معينة غير معروفة للشاحن. وبالتالي، لن يتم شحن بطارية بأي سعة بشكل عام في الوضع الأمثل للبطارية، ولكن في الوضع المضبوط مسبقًا للشاحن.

دعنا ننتقل إلى النظر في خط شحن الدوائر الدقيقة من شركة STMicroelectronics.

رقائق STBC08 وSTC4054

هذه الدوائر الدقيقة هي منتجات بسيطة إلى حد ما لشحن بطاريات الليثيوم. يتم تصنيع الدوائر الدقيقة في عبوات مصغرة من النوع و على التوالي. وهذا يسمح باستخدام هذه المكونات في الأجهزة المحمولة ذات المتطلبات الصارمة إلى حد ما فيما يتعلق بخصائص الوزن والحجم (على سبيل المثال، الهواتف المحمولة ومشغلات MP3). يتم عرض مخططات الاتصال في الشكل 2.

أرز. 2.

على الرغم من القيود التي يفرضها الحد الأدنى لعدد الأطراف الخارجية في العبوات، فإن الدوائر الدقيقة تتمتع بوظائف واسعة إلى حد ما:

• ليست هناك حاجة إلى MOSFET خارجي أو صمام ثنائي مانع أو مقاومة تيار. على النحو التالي من الشكل 2، يقتصر الأسلاك الخارجية على مكثف مرشح عند الإدخال ومقاوم برمجة واثنين من مؤشرات LED (لـ STC4054 - واحد).
• تتم برمجة القيمة القصوى لتيار الشحن بقيمة المقاومة الخارجية ويمكن أن تصل إلى قيمة 800 مللي أمبير. يتم تحديد حقيقة نهاية الشحن في اللحظة التي تنخفض فيها قيمة تيار الشحن في وضع الجهد الثابت إلى قيمة 0.1*I BAT، أي أنه يتم ضبطها أيضًا بواسطة قيمة المقاوم الخارجي . يتم تحديد الحد الأقصى للشحن الحالي من العلاقة:

أنا بات = (V PROG /R PROG) * 1000؛

حيث I BAT هو تيار الشحن بالأمبير، وR PROG هي مقاومة المقاوم بالأوم، وV PROG هو الجهد عند خرج PROG، ويساوي 1.0 فولت.

• في وضع الجهد الثابت، يتم توليد جهد ثابت قدره 4.2V عند الخرج بدقة لا تقل عن 1%.
• يبدأ شحن البطاريات الفارغة بشكل كبير تلقائيًا في وضع الشحن المسبق. حتى يصل الجهد الكهربي عند خرج البطارية إلى 2.9 فولت، يتم إجراء الشحن بتيار ضعيف قدره 0.1*I BAT. هذه الطريقة، كما ذكرنا سابقًا، تمنع حدوث فشل محتمل جدًا عند محاولة شحن البطاريات شديدة التفريغ بالطريقة المعتادة. بالإضافة إلى ذلك، فإن القيمة الأولية لتيار الشحن محدودة بالقوة، مما يزيد أيضًا من عمر خدمة البطاريات.
• تم تنفيذ وضع الشحن المتقطع التلقائي - عندما ينخفض ​​جهد البطارية إلى 4.05 فولت، سيتم إعادة تشغيل دورة الشحن. يتيح لك ذلك ضمان الشحن المستمر للبطارية بمستوى لا يقل عن 80٪ من سعتها الاسمية.
• الحماية ضد الجهد الزائد وارتفاع درجة الحرارة. إذا تجاوز جهد الإدخال حدًا معينًا (على وجه الخصوص، 7.2 فولت) أو إذا تجاوزت درجة حرارة العلبة 120 درجة مئوية، فسيتم إيقاف تشغيل الشاحن، مما يحمي نفسه والبطارية. بالطبع، يتم أيضًا تنفيذ حماية الجهد المنخفض للإدخال - إذا انخفض جهد الإدخال إلى ما دون مستوى معين (U VLO)، فسيتم إيقاف تشغيل الشاحن أيضًا.
• تتيح القدرة على توصيل مصابيح LED للإشارة للمستخدم الحصول على فكرة عن الحالة الحالية لعملية شحن البطارية.

رقائق شحن البطارية L6924D وL6924U

هذه الدوائر الدقيقة عبارة عن أجهزة تتمتع بقدرات أكبر مقارنةً بـ STBC08 وSTC4054. يوضح الشكل 3 مخططات الدوائر النموذجية لتوصيل الدوائر الدقيقة و .

أرز. 3.

دعونا نفكر في تلك الميزات الوظيفية للدوائر الدقيقة التي تتعلق بتعيين معلمات عملية شحن البطارية:

1. في كلا التعديلين، من الممكن ضبط الحد الأقصى لمدة شحن البطارية بدءًا من لحظة التبديل إلى وضع تثبيت التيار المستمر (يتم استخدام مصطلح "وضع الشحن السريع" أيضًا). عند الدخول في هذا الوضع، يتم تشغيل مؤقت المراقبة، المبرمج لمدة معينة T PRG بقيمة المكثف المتصل بمنفذ T PRG. إذا لم يتم إيقاف شحن البطارية قبل تشغيل هذا المؤقت وفقًا للخوارزمية القياسية (ينخفض ​​التيار المتدفق عبر البطارية إلى أقل من قيمة I END)، فبعد تشغيل المؤقت، سيتم مقاطعة الشحن بالقوة. باستخدام نفس المكثف، يتم ضبط الحد الأقصى لمدة وضع الشحن المسبق: وهو يساوي 1/8 من مدة T PRG. أيضًا، إذا لم يكن هناك انتقال إلى وضع الشحن السريع خلال هذا الوقت، فسيتم إيقاف تشغيل الدائرة.

2. وضع الشحن المسبق. إذا تم تعيين التيار في هذا الوضع لجهاز STBC08 كقيمة تساوي 10٪ من I BAT، وتم إصلاح جهد التبديل إلى وضع DC، ثم في تعديل L6924U، تم الحفاظ على هذه الخوارزمية دون تغيير، ولكن في شريحة L6924D كلاهما يتم تعيين هذه المعلمات باستخدام مقاومات خارجية متصلة بالمدخلين I PRE وV PRE.

3. تم ضبط علامة اكتمال الشحن في المرحلة الثالثة (وضع تثبيت الجهد المستمر) في أجهزة STBC08 وSTC4054 كقيمة تساوي 10% من I BAT. في الدوائر الدقيقة L6924، تتم برمجة هذه المعلمة بقيمة المقاوم الخارجي المتصل بدبوس I END. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لشريحة L6924D، من الممكن تقليل الجهد عند طرف V OUT من القيمة المقبولة عمومًا وهي 4.2 فولت إلى 4.1 فولت.

4. يتم ضبط قيمة الحد الأقصى لتيار الشحن I PRG في هذه الدوائر الدقيقة بالطريقة التقليدية - من خلال قيمة المقاوم الخارجي.

كما ترون، في "الشحن" البسيط STBC08 وSTC4054، تم تعيين معلمة واحدة فقط باستخدام المقاوم الخارجي - تيار الشحن. تم إصلاح جميع المعلمات الأخرى بشكل صارم أو كانت إحدى وظائف I BAT. تتمتع شرائح L6924 بالقدرة على ضبط العديد من المعلمات الإضافية بالإضافة إلى توفير "التأمين" لأقصى مدة لعملية شحن البطارية.

بالنسبة لكلا التعديلين من L6924، يتم توفير وضعي تشغيل إذا تم إنشاء جهد الإدخال بواسطة محول شبكة AC/DC. الأول هو وضع منظم الجهد الخطي القياسي للخرج. والثاني هو وضع منظم شبه النبض. في الحالة الأولى، يمكن توفير تيار للحمل، وقيمته أقل قليلاً من قيمة تيار الإدخال المأخوذ من المحول. في وضع تثبيت التيار المستمر (المرحلة الثانية - مرحلة الشحن السريع)، يتم تبديد الفرق بين جهد الدخل والجهد عند "زائد" البطارية كطاقة حرارية، ونتيجة لذلك تكون الطاقة المتبددة في مرحلة الشحن هذه أقصى. عند التشغيل في وضع منظم التبديل، يمكن توفير تيار تكون قيمته أعلى من قيمة تيار الإدخال للحمل. في هذه الحالة، يتم فقدان طاقة أقل بكثير في الحرارة. هذا، أولا، يقلل من درجة الحرارة داخل العلبة، وثانيا، يزيد من كفاءة الجهاز. ولكن يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن دقة التثبيت الحالي في الوضع الخطي تبلغ حوالي 1٪ وفي الوضع النبضي - حوالي 7٪.

يتم توضيح تشغيل الدوائر الدقيقة L6924 في الأوضاع الخطية وشبه النبضية في الشكل 4.

أرز. 4.

بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن أن تعمل شريحة L6924U من محول الشبكة، ولكن من منفذ USB. في هذه الحالة، تطبق شريحة L6924U بعض الحلول التقنية التي يمكنها تقليل تبديد الطاقة بشكل أكبر عن طريق زيادة مدة الشحن.

تحتوي شرائح L6924D وL6924U على مدخل إضافي لانقطاع الشحن القسري (أي إيقاف تشغيل التحميل) SHDN.

في دوائر الشحن الدقيقة البسيطة، تتمثل الحماية من درجة الحرارة في إيقاف الشحن عندما ترتفع درجة الحرارة داخل علبة الدائرة الدقيقة إلى 120 درجة مئوية. وهذا بالطبع أفضل من عدم وجود حماية على الإطلاق، لكن قيمة 120 درجة مئوية في العلبة ترتبط بشكل مشروط بدرجة حرارة البطارية نفسها. توفر منتجات L6924 القدرة على توصيل الثرمستور المرتبط مباشرة بدرجة حرارة البطارية (المقاوم RT1 في الشكل 3). في هذه الحالة، يصبح من الممكن ضبط نطاق درجة الحرارة الذي سيكون من الممكن فيه شحن البطارية. من ناحية، لا ينصح بشحن بطاريات الليثيوم في درجات حرارة أقل من الصفر، ومن ناحية أخرى، فمن غير المرغوب فيه للغاية إذا ارتفعت درجة حرارة البطارية إلى أكثر من 50 درجة مئوية أثناء الشحن. يتيح استخدام الثرمستور شحن البطارية فقط في ظل ظروف درجة الحرارة المناسبة.

بطبيعة الحال، فإن الوظيفة الإضافية للدوائر الدقيقة L6924D وL6924U لا تعمل فقط على توسيع إمكانيات الجهاز المصمم، ولكنها تؤدي أيضًا إلى زيادة المساحة الموجودة على اللوحة التي يشغلها كل من جسم الدائرة الدقيقة نفسه وعناصر القطع الخارجية.

شرائح شحن البطارية STBC21 وSTw4102

يعد هذا تحسينًا إضافيًا لشريحة L6924. من ناحية، يتم تنفيذ نفس الحزمة الوظيفية تقريبًا:

• الوضع الخطي وشبه النبضي.
• يتم توصيل الثرمستور بالبطارية كعنصر أساسي لحماية درجة الحرارة.
• القدرة على تعيين المعلمات الكمية لجميع المراحل الثلاث لعملية الشحن.

بعض الميزات الإضافية التي كانت مفقودة في L6924:

• عكس حماية قطبية.
• حماية ماس كهربائى.
• يتمثل الاختلاف الكبير عن L6924 في وجود واجهة I 2 C الرقمية لتعيين قيم المعلمات والإعدادات الأخرى. ونتيجة لذلك، أصبح من الممكن إجراء إعدادات أكثر دقة لعملية الشحن. يظهر مخطط الاتصال الموصى به في الشكل 5. من الواضح، في هذه الحالة، لا تنشأ مسألة توفير مساحة اللوحة وخصائص الوزن والحجم الصارمة. ولكن من الواضح أيضًا أن استخدام هذه الدائرة الدقيقة في مسجلات الصوت الصغيرة الحجم والمشغلات والهواتف المحمولة البسيطة ليس مقصودًا. بل هي بطاريات لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة المماثلة، حيث يعد استبدال البطارية إجراءً نادرًا، ولكنه ليس رخيصًا أيضًا.

أرز. 5.

5. كاميولو جان، سكوديري جوزيبي. تقليل إجمالي استهلاك الطاقة بدون تحميل لشواحن البطاريات وتطبيقات المحولات البوليمر // مادة من شركة STMicroelectronics. النشر على الإنترنت:

7. STEVAL-ISV012V1: شاحن بطارية ليثيوم أيون بالطاقة الشمسية // مادة من شركة STMicroelectronics. النشر على الإنترنت: .

الحصول على المعلومات الفنية وطلب العينات والتسليم - البريد الإلكتروني: