Reloj - diseñador. Todo para baterías de litio: CI STM para cargadores y monitoreo de batería CI de carga de batería L6924D y L6924U

La batería es una fuente de energía común para varios dispositivos móviles, gadgets, robots... Sin ella, la clase de dispositivos portátiles probablemente no existiría o no sería reconocible. Uno de los tipos de baterías más modernos puede considerarse legítimamente de iones de litio y de polímero de litio. Pero el dispositivo funcionó, la batería está agotada, ahora es necesario aprovechar su principal diferencia con las baterías simples: cargarla.

El artículo hablará brevemente sobre dos microcircuitos comunes (más precisamente, sobre un LTC4054 común y su reemplazo similar STC4054) para cargar baterías de iones de litio de una sola lata.

Estos microcircuitos son idénticos, la única diferencia está en el fabricante y el precio. Otra gran ventaja es la pequeña cantidad de cableado: solo 2 componentes pasivos: un condensador de entrada de 1 µF y una resistencia de ajuste de corriente. Si lo desea, puede agregar un LED: un indicador del estado del proceso de carga; encendido: la carga está en curso; apagada: la carga está completa; Tensión de alimentación 4,25-6,5 V, es decir. La carga se realiza con los habituales 5 V, no en vano la mayoría de los cargadores USB simples se construyen sobre la base de estos microcircuitos. Carga hasta 4,2V. Corriente máxima 800mA.

La placa se basa en un chip de carga LTC4054 o STC4054. Condensador de entrada con una capacidad de 1 μF de tamaño estándar 0805. Resistencia de ajuste de corriente 0805, la resistencia se calcula a continuación. Y LED 0604 o 0805 con una resistencia limitadora de corriente de tamaño 0805 a 680 ohmios.

La resistencia (o corriente de carga) se calcula mediante las siguientes fórmulas:

Porque Vprog=~1V, obtenemos las siguientes fórmulas simplificadas

Algunos ejemplos de cálculo:

Por último, un par de fotos de una opción de carga USB casera para baterías de polímero de litio de un pequeño helicóptero.

En los dispositivos electrónicos móviles modernos, incluso en aquellos diseñados para minimizar el consumo de energía, el uso de baterías no renovables se está convirtiendo en una cosa del pasado. Y desde un punto de vista económico, en un corto período de tiempo, el costo total de la cantidad requerida de baterías desechables excederá rápidamente el costo de una batería y, desde el punto de vista de la comodidad del usuario, es más fácil de recargar. la batería que buscar dónde comprar una batería nueva. En consecuencia, los cargadores de baterías se están convirtiendo en un producto con una demanda garantizada. No es de extrañar que casi todos los fabricantes de circuitos integrados para dispositivos de alimentación presten atención a la dirección de "carga".

Hace apenas cinco años, la discusión sobre los microcircuitos para cargar baterías (Battery Chargers IC) comenzó con una comparación de los principales tipos de baterías: níquel y litio. Pero actualmente las baterías de níquel prácticamente han dejado de usarse y la mayoría de los fabricantes de chips de carga han dejado de producir chips para baterías de níquel o producen chips que son invariantes a la tecnología de las baterías (el llamado IC multiquímico). La gama de productos STMicroelectronics incluye actualmente solo microcircuitos diseñados para funcionar con baterías de litio.

Recordemos brevemente las principales características de las baterías de litio. Ventajas:

• Alta capacidad eléctrica específica. Los valores típicos son 110...160 W*hora*kg, que es 1,5...2,0 veces mayor que el mismo parámetro para las baterías de níquel. En consecuencia, a igualdad de dimensiones, la capacidad de una batería de litio es mayor.
• Baja autodescarga: aproximadamente 10% mensual. En las baterías de níquel este parámetro es del 20...30%.

No hay "efecto memoria", lo que hace que esta batería sea fácil de mantener: no es necesario descargarla al mínimo antes de recargarla.

Desventajas de las baterías de litio:

• La necesidad de protección de corriente y voltaje. En particular, es necesario excluir la posibilidad de cortocircuito en los terminales de la batería, suministro de voltaje con polaridad inversa o sobrecarga.
• La necesidad de protección contra el sobrecalentamiento: calentar la batería por encima de una determinada temperatura afecta negativamente a su capacidad y vida útil.

Existen dos tecnologías industriales para la fabricación de baterías de litio: de iones de litio (Li-Ion) y de polímero de litio (Li-Pol). Sin embargo, dado que los algoritmos de carga de estas baterías son los mismos, los chips de carga no separan las tecnologías de iones de litio y de polímero de litio. Por esta razón, nos saltaremos la discusión sobre las ventajas y desventajas de las baterías Li-Ion y Li-Pol, haciendo referencia a la literatura.

Consideremos el algoritmo para cargar baterías de litio, presentado en la Figura 1.

Arroz. 1.

La primera fase, la llamada precarga, se utiliza únicamente en los casos en que la batería está muy descargada. Si el voltaje de la batería es inferior a 2,8 V, no se puede cargar inmediatamente con la máxima corriente posible: esto tendrá un impacto extremadamente negativo en la vida útil de la batería. Primero es necesario "recargar" la batería con una corriente baja a aproximadamente 3,0 V, y solo después se permite cargar con la corriente máxima.

Segunda fase: cargador como fuente de corriente constante. En esta etapa, la corriente máxima para las condiciones dadas fluye a través de la batería. Al mismo tiempo, el voltaje de la batería aumenta gradualmente hasta alcanzar un valor límite de 4,2 V. Estrictamente hablando, al finalizar la segunda etapa, se puede detener la carga, pero hay que tener en cuenta que la batería está actualmente cargada por aproximadamente el 70% de su capacidad. Tenga en cuenta que en muchos cargadores la corriente máxima no se suministra de inmediato, sino que aumenta gradualmente hasta el máximo durante varios minutos; se utiliza un mecanismo de "arranque suave".

Si se desea cargar la batería hasta valores de capacidad cercanos al 100%, entonces pasamos a la tercera fase: el cargador como fuente de tensión constante. En esta etapa, se aplica un voltaje constante de 4,2 V a la batería y la corriente que fluye a través de la batería disminuye desde un valor máximo hasta un valor mínimo predeterminado durante la carga. En el momento en que el valor actual disminuye hasta este límite, la carga de la batería se considera completa y el proceso finaliza.

Le recordamos que uno de los parámetros clave de una batería es su capacidad (unidad de medida - A*hora). Por tanto, la capacidad típica de una batería de iones de litio de tamaño AAA es de 750...1300 mAh. Como derivada de este parámetro, se utiliza la característica "corriente 1C"; este es un valor actual numéricamente igual a la capacidad nominal (en el ejemplo dado - 750...1300 mA). El valor de "1C actual" tiene sentido sólo como determinación del valor de corriente máximo al cargar la batería y el valor actual en el que la carga se considera completa. Generalmente se acepta que el valor máximo de corriente no debe exceder 1*1C, y la carga de la batería se puede considerar completa cuando la corriente disminuye a 0,05...0,10*1C. Pero estos son los parámetros que pueden considerarse óptimos para un tipo particular de batería. En realidad, un mismo cargador puede funcionar con baterías de diferentes fabricantes y de diferentes capacidades, mientras que el cargador desconoce la capacidad de una determinada batería. En consecuencia, la carga de una batería de cualquier capacidad generalmente no se producirá en el modo óptimo para la batería, sino en el modo preestablecido para el cargador.

Pasemos a considerar la línea de microcircuitos de carga de STMicroelectronics.

Fichas STBC08 y STC4054

Estos microcircuitos son productos bastante sencillos para cargar baterías de litio. Los microcircuitos se fabrican en paquetes en miniatura del tipo y, respectivamente. Esto permite el uso de estos componentes en dispositivos móviles con requisitos bastante estrictos en cuanto a características de peso y tamaño (por ejemplo, teléfonos móviles, reproductores de MP3). Los diagramas de conexión se presentan en la Figura 2.

Arroz. 2.

A pesar de las limitaciones impuestas por el número mínimo de pines externos en los paquetes, los microcircuitos tienen una funcionalidad bastante amplia:

• No es necesario un MOSFET externo, un diodo de bloqueo o una resistencia de corriente. Como se desprende de la Figura 2, el cableado externo está limitado por un condensador de filtro en la entrada, una resistencia de programación y dos (para STC4054, uno) LED indicadores.
• El valor máximo de la corriente de carga está programado por el valor de la resistencia externa y puede alcanzar un valor de 800 mA. El hecho del final de la carga se determina en el momento en que, en modo de voltaje constante, el valor de la corriente de carga cae al valor de 0,1*I BAT, es decir, también está determinado por el valor de la resistencia externa. . La corriente de carga máxima se determina a partir de la relación:

I BAT = (PROG V /PROG R)*1000;

donde I BAT es la corriente de carga en amperios, R PROG es la resistencia de la resistencia en ohmios, V PROG es el voltaje en la salida PROG, igual a 1,0 voltios.

• En modo de voltaje constante, se genera un voltaje estable de 4,2 V en la salida con una precisión no inferior al 1%.
• La carga de baterías muy descargadas comienza automáticamente en el modo de precarga. Hasta que el voltaje en la salida de la batería alcance los 2,9 V, la carga se realiza con una corriente débil de 0,1*I BAT. Este método, como ya se señaló, evita una falla muy probable al intentar cargar baterías muy descargadas de la forma habitual. Además, se limita forzosamente el valor inicial de la corriente de carga, lo que también aumenta la vida útil de las baterías.
• Se ha implementado un modo de carga lenta automática: cuando el voltaje de la batería cae a 4,05 V, se reiniciará el ciclo de carga. Esto le permite asegurar una carga constante de la batería a un nivel no inferior al 80% de su capacidad nominal.
• Protección contra sobretensión y sobrecalentamiento. Si el voltaje de entrada excede un cierto límite (en particular, 7,2 V) o si la temperatura de la carcasa excede los 120°C, el cargador se apaga, protegiéndose a sí mismo y a la batería. Por supuesto, también se implementa protección contra bajo voltaje de entrada: si el voltaje de entrada cae por debajo de cierto nivel (U VLO), el cargador también se apagará.
• La posibilidad de conectar LED indicadores permite al usuario tener una idea del estado actual del proceso de carga de la batería.

Chips de carga de batería L6924D y L6924U

Estos microcircuitos son dispositivos con mayores capacidades en comparación con STBC08 y STC4054. La Figura 3 muestra diagramas de circuito típicos para conectar microcircuitos y .

Arroz. 3.

Consideremos aquellas características funcionales de los microcircuitos que se relacionan con la configuración de los parámetros del proceso de carga de la batería:

1. En ambas modificaciones, es posible establecer la duración máxima de carga de la batería a partir del momento en que se cambia al modo de estabilización de CC (también se utiliza el término "modo de carga rápida"). Al ingresar a este modo, se inicia un temporizador de vigilancia, programado para una duración determinada T PRG por el valor del capacitor conectado al pin T PRG. Si antes de que se active este temporizador, la carga de la batería no se detiene de acuerdo con el algoritmo estándar (la corriente que fluye a través de la batería disminuye por debajo del valor I END), luego de que se active el temporizador, la carga se interrumpirá a la fuerza. Utilizando el mismo condensador se ajusta la duración máxima del modo de precarga: es igual a 1/8 de la duración T PRG. Además, si durante este tiempo no se pasa al modo de carga rápida, el circuito se apaga.

2. Modo de precarga. Si para el dispositivo STBC08 la corriente en este modo se configuró como un valor igual al 10% de I BAT y se fijó el voltaje de conmutación al modo CC, entonces en la modificación L6924U este algoritmo se mantuvo sin cambios, pero en el chip L6924D ambos La configuración de estos parámetros se realiza mediante resistencias externas conectadas a las entradas I PRE y V PRE.

3. El signo de finalización de la carga en la tercera fase (modo de estabilización de voltaje CC) en los dispositivos STBC08 y STC4054 se fijó en un valor igual al 10% de I BAT. En los microcircuitos L6924, este parámetro se programa mediante el valor de una resistencia externa conectada al pin I END. Además, para el chip L6924D, es posible reducir el voltaje en el pin V OUT del valor generalmente aceptado de 4,2 V a 4,1 V.

4. El valor de la corriente de carga máxima I PRG en estos microcircuitos se establece de la forma tradicional: mediante el valor de una resistencia externa.

Como puede ver, en la "carga" simple STBC08 y STC4054, solo se configuró un parámetro utilizando una resistencia externa: la corriente de carga. Todos los demás parámetros estaban fijados rígidamente o eran función de la MTD. Los chips L6924 tienen la capacidad de ajustar varios parámetros más y, además, proporcionar un "seguro" durante la duración máxima del proceso de carga de la batería.

Para ambas modificaciones del L6924, se proporcionan dos modos de funcionamiento si el voltaje de entrada es generado por un adaptador de red CA/CC. El primero es el modo de regulador reductor lineal de voltaje de salida estándar. El segundo es el modo regulador de cuasipulso. En el primer caso, se puede suministrar una corriente a la carga, cuyo valor es ligeramente menor que el valor de la corriente de entrada tomada del adaptador. En el modo de estabilización de CC (segunda fase - fase de carga rápida), la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje en el "más" de la batería se disipa como energía térmica, como resultado de lo cual la potencia disipada en esta fase de carga es máximo. Cuando se opera en modo regulador de conmutación, se puede suministrar a la carga una corriente cuyo valor es mayor que el valor de la corriente de entrada. En este caso se pierde mucha menos energía en forma de calor. Esto, en primer lugar, reduce la temperatura dentro de la carcasa y, en segundo lugar, aumenta la eficiencia del dispositivo. Pero debe tenerse en cuenta que la precisión de la estabilización de corriente en modo lineal es de aproximadamente el 1% y en modo pulsado, aproximadamente el 7%.

El funcionamiento de los microcircuitos L6924 en modos lineal y cuasipulso se ilustra en la Figura 4.

Arroz. 4.

El chip L6924U, además, no puede funcionar desde un adaptador de red, sino desde un puerto USB. En este caso, el chip L6924U implementa algunas soluciones técnicas que pueden reducir aún más la disipación de energía al aumentar la duración de la carga.

Los chips L6924D y L6924U tienen una entrada adicional para la interrupción forzada de la carga (es decir, el apagado de la carga) SHDN.

En los microcircuitos de carga simples, la protección de la temperatura consiste en detener la carga cuando la temperatura dentro de la carcasa del microcircuito aumenta a 120°C. Esto, por supuesto, es mejor que ninguna protección, pero el valor de 120°C en la carcasa está más que condicionado a la temperatura de la propia batería. Los productos L6924 brindan la capacidad de conectar un termistor directamente relacionado con la temperatura de la batería (resistencia RT1 en la Figura 3). En este caso, es posible establecer el rango de temperatura en el que será posible cargar la batería. Por un lado, no se recomienda cargar baterías de litio a temperaturas bajo cero y, por otro lado, tampoco es deseable que la batería se caliente a más de 50°C durante la carga. El uso de un termistor permite cargar la batería sólo en condiciones de temperatura favorables.

Naturalmente, la funcionalidad adicional de los microcircuitos L6924D y L6924U no solo amplía las capacidades del dispositivo diseñado, sino que también conduce a un aumento en el área en la placa ocupada tanto por el cuerpo del microcircuito como por los elementos de acabado externos.

Chips de carga de batería STBC21 y STw4102

Esta es una mejora adicional del chip L6924. Por un lado, se implementa aproximadamente el mismo paquete funcional:

• Modo lineal y cuasipulso.
• El termistor conectado a la batería como elemento clave de protección de temperatura.
• Capacidad para establecer parámetros cuantitativos para las tres fases del proceso de carga.

Algunas características adicionales que faltaban en el L6924:

• Protección contra polaridad inversa.
• Protección contra cortocircuitos.
• Una diferencia significativa con el L6924 es la presencia de una interfaz digital I 2 C para configurar valores de parámetros y otras configuraciones. De este modo es posible realizar ajustes más precisos del proceso de carga. El diagrama de conexión recomendado se muestra en la Figura 5. Obviamente, en este caso, no surge la cuestión de ahorrar área de placa y características estrictas de peso y tamaño. Pero también es obvio que no está previsto el uso de este microcircuito en grabadoras de voz de pequeño tamaño, reproductores y teléfonos móviles sencillos. Más bien, se trata de baterías para portátiles y dispositivos similares, en los que sustituir la batería es un procedimiento poco frecuente, pero tampoco barato.

Arroz. 5.

5. Camiolo Jean, Scuderi Giuseppe. Reducción del consumo total de energía sin carga de cargadores de baterías y aplicaciones de adaptadores Polímero // Material de STMicroelectronics. Publicar en Internet:

7. STEVAL-ISV012V1: cargador de batería solar de iones de litio//Material de STMicroelectronics. Publicar en Internet: .

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