Horloge - designer. Tout pour les batteries au lithium : CI STM pour chargeurs et surveillance de batterie CI de charge de batterie L6924D et L6924U

La batterie est une source d'alimentation courante pour divers appareils mobiles, gadgets, robots... Sans elle, la classe des appareils portables n'existerait probablement pas ou ne serait pas reconnaissable. L'un des types de batteries les plus modernes peut à juste titre être considéré comme le lithium-ion et le lithium-polymère. Mais l'appareil a fonctionné, la batterie est épuisée, vous devez maintenant profiter de sa principale différence par rapport aux batteries simples : la charger.

L'article parlera brièvement de deux microcircuits courants (plus précisément, d'un LTC4054 commun et de son remplacement similaire STC4054) pour charger des batteries Li-ion à boîtier unique.

Ces microcircuits sont identiques, la seule différence réside dans le fabricant et le prix. Un autre énorme avantage est la petite quantité de câblage - seulement 2 composants passifs : un condensateur d'entrée de 1 µF et une résistance de réglage du courant. Si vous le souhaitez, vous pouvez ajouter une LED - un indicateur de l'état du processus de charge ; allumée - la charge est en cours ; éteinte - la charge est terminée. Tension d'alimentation 4,25-6,5 V, soit La charge est alimentée par le 5V habituel, ce n'est pas pour rien que la plupart des chargeurs USB simples sont construits sur la base de ces microcircuits. Charge jusqu'à 4,2 V. Courant maximum 800mA.

La carte est basée sur une puce de chargement LTC4054 ou STC4054. Condensateur d'entrée d'une capacité de 1 μF de taille standard 0805. Résistance de réglage du courant 0805, la résistance est calculée ci-dessous. Et LED 0604 ou 0805 avec une résistance de limitation de courant de taille 0805 à 680 Ohm.

La résistance (ou courant de charge) est calculée à l'aide des formules suivantes :

Parce que Vprog=~1V, on obtient les formules simplifiées suivantes

Quelques exemples de calculs :

Enfin, quelques photos d'une option de chargement USB maison pour les batteries au lithium polymère d'un petit hélicoptère.

Dans les appareils électroniques mobiles modernes, même ceux conçus pour minimiser la consommation d’énergie, l’utilisation de batteries non renouvelables appartient désormais au passé. Et d'un point de vue économique - déjà sur une courte période, le coût total du nombre requis de piles jetables dépassera rapidement le coût d'une pile, et du point de vue du confort d'utilisation - il est plus facile de recharger la batterie que de chercher où acheter une nouvelle batterie. En conséquence, les chargeurs de batterie deviennent un produit dont la demande est garantie. Il n'est pas surprenant que presque tous les fabricants de circuits intégrés pour dispositifs d'alimentation électrique prêtent attention au sens « charge ».

Il y a à peine cinq ans, la discussion sur les microcircuits pour charger les batteries (Battery Chargers IC) a commencé par une comparaison des principaux types de batteries - nickel et lithium. Mais à l'heure actuelle, les batteries au nickel ont pratiquement cessé d'être utilisées et la plupart des fabricants de puces de charge ont soit complètement arrêté de produire des puces pour batteries au nickel, soit produisent des puces invariantes à la technologie des batteries (ce qu'on appelle les circuits intégrés multi-chimie). La gamme de produits STMicroelectronics ne comprend actuellement que des microcircuits conçus pour fonctionner avec des batteries au lithium.

Rappelons brièvement les principales caractéristiques des batteries au lithium. Avantages :

• Capacité électrique spécifique élevée. Les valeurs typiques sont de 110...160 W*heure*kg, ce qui est 1,5...2,0 fois plus élevé que le même paramètre pour les batteries au nickel. Ainsi, à dimensions égales, la capacité d’une batterie au lithium est plus élevée.
• Faible autodécharge : environ 10 % par mois. Dans les batteries au nickel, ce paramètre est de 20...30 %.

Il n’y a pas « d’effet mémoire », ce qui rend cette batterie facile à entretenir : il n’est pas nécessaire de décharger la batterie au minimum avant de la recharger.

Inconvénients des batteries au lithium :

• La nécessité d'une protection contre le courant et la tension. En particulier, il est nécessaire d'exclure la possibilité de court-circuiter les bornes de la batterie, de fournir une tension avec une polarité inversée ou de surcharger.
• La nécessité d'une protection contre la surchauffe : chauffer la batterie au-dessus d'une certaine température affecte négativement sa capacité et sa durée de vie.

Il existe deux technologies industrielles pour fabriquer des batteries au lithium : le lithium-ion (Li-Ion) et le lithium polymère (Li-Pol). Cependant, comme les algorithmes de charge de ces batteries sont les mêmes, les puces de charge ne séparent pas les technologies lithium-ion et lithium-polymère. Pour cette raison, nous sauterons la discussion sur les avantages et les inconvénients des batteries Li-Ion et Li-Pol, en nous référant à la littérature.

Considérons l'algorithme de chargement des batteries au lithium, présenté à la figure 1.

Riz. 1.

La première phase, appelée précharge, n'est utilisée que dans les cas où la batterie est très déchargée. Si la tension de la batterie est inférieure à 2,8 V, elle ne peut pas être chargée immédiatement avec le courant maximum possible : cela aura un impact extrêmement négatif sur la durée de vie de la batterie. Il est nécessaire de « recharger » d'abord la batterie avec un faible courant jusqu'à environ 3,0 V, et ce n'est qu'après cela qu'une charge avec un courant maximum devient autorisée.

Deuxième phase : chargeur comme source de courant constant. À ce stade, le courant maximum pour les conditions données circule dans la batterie. Dans le même temps, la tension de la batterie augmente progressivement jusqu'à atteindre une valeur limite de 4,2 V. À proprement parler, à la fin de la deuxième étape, la charge peut être arrêtée, mais il convient de garder à l'esprit que la batterie est actuellement chargée par environ 70% de sa capacité. Notez que dans de nombreux chargeurs, le courant maximum n'est pas fourni immédiatement, mais augmente progressivement jusqu'au maximum sur plusieurs minutes - un mécanisme « Soft Start » est utilisé.

S'il est souhaitable de charger la batterie à des valeurs de capacité proches de 100 %, alors on passe à la troisième phase : le chargeur comme source de tension constante. À ce stade, une tension constante de 4,2 V est appliquée à la batterie et le courant circulant dans la batterie diminue d'un maximum à une valeur minimale prédéterminée pendant la charge. Au moment où la valeur du courant descend jusqu'à cette limite, la charge de la batterie est considérée comme terminée et le processus se termine.

Rappelons que l'un des paramètres clés d'une batterie est sa capacité (unité de mesure - A*heure). Ainsi, la capacité typique d’une batterie lithium-ion de taille AAA est de 750 à 1 300 mAh. Comme dérivé de ce paramètre, la caractéristique « courant 1C » est utilisée : il s'agit d'une valeur de courant numériquement égale à la capacité nominale (dans l'exemple donné - 750...1300 mA). La valeur du « courant 1C » n'a de sens que comme détermination de la valeur de courant maximale lors de la charge de la batterie et de la valeur de courant à laquelle la charge est considérée comme terminée. Il est généralement admis que la valeur maximale du courant ne doit pas dépasser 1*1C, et la charge de la batterie peut être considérée comme terminée lorsque le courant diminue à 0,05...0,10*1C. Mais ce sont ces paramètres qui peuvent être considérés comme optimaux pour un type particulier de batterie. En réalité, un même chargeur peut fonctionner avec des batteries de fabricants différents et de capacités différentes, tandis que la capacité d'une batterie particulière reste inconnue du chargeur. Par conséquent, la charge d’une batterie, quelle que soit sa capacité, ne se produira généralement pas dans le mode optimal pour la batterie, mais dans le mode prédéfini pour le chargeur.

Passons maintenant à la gamme de microcircuits de charge de STMicroelectronics.

Puces STBC08 et STC4054

Ces microcircuits sont des produits assez simples pour charger des batteries au lithium. Les microcircuits sont réalisés dans des boîtiers miniatures de type et, respectivement. Cela permet l'utilisation de ces composants dans des appareils mobiles avec des exigences assez strictes en matière de caractéristiques de poids et de taille (par exemple, téléphones portables, lecteurs MP3). Les schémas de connexion sont présentés dans la figure 2.

Riz. 2.

Malgré les limitations imposées par le nombre minimum de broches externes dans les boîtiers, les microcircuits ont des fonctionnalités assez larges :

• Il n'est pas nécessaire d'utiliser un MOSFET externe, une diode de blocage ou une résistance de courant. Comme le montre la figure 2, le câblage externe est limité par un condensateur de filtrage à l'entrée, une résistance de programmation et deux (pour le STC4054 - un) voyants LED.
• La valeur maximale du courant de charge est programmée par la valeur de la résistance externe et peut atteindre une valeur de 800 mA. Le fait de la fin de la charge est déterminé au moment où, en mode tension constante, la valeur du courant de charge chute à une valeur de 0,1*I BAT, c'est-à-dire qu'elle est également fixée par la valeur de la résistance externe . Le courant de charge maximum est déterminé à partir de la relation :

I BAT = (V PROG /R PROG)*1000 ;

où I BAT est le courant de charge en ampères, R PROG est la résistance de la résistance en Ohms, V PROG est la tension à la sortie PROG, égale à 1,0 Volt.

• En mode tension constante, une tension stable de 4,2 V est générée à la sortie avec une précision d'au moins 1 %.
• La charge des batteries fortement déchargées commence automatiquement en mode précharge. Jusqu'à ce que la tension à la sortie de la batterie atteigne 2,9V, la charge s'effectue avec un faible courant de 0,1*I BAT. Cette méthode, comme déjà indiqué, évite une panne très probable lorsque l'on tente de charger des batteries gravement déchargées de la manière habituelle. De plus, la valeur de démarrage du courant de charge est limitée de force, ce qui augmente également la durée de vie des batteries.
• Un mode de charge d'entretien automatique a été mis en œuvre - lorsque la tension de la batterie descend à 4,05 V, le cycle de charge redémarre. Cela vous permet d'assurer une charge constante de la batterie à un niveau non inférieur à 80 % de sa capacité nominale.
• Protection contre les surtensions et la surchauffe. Si la tension d'entrée dépasse une certaine limite (notamment 7,2 V) ou si la température du boîtier dépasse 120°C, le chargeur s'éteint, se protégeant ainsi que la batterie. Bien entendu, une protection contre les basses tensions d'entrée est également mise en œuvre - si la tension d'entrée descend en dessous d'un certain niveau (U VLO), le chargeur s'éteindra également.
• La possibilité de connecter des LED d'indication permet à l'utilisateur d'avoir une idée de l'état actuel du processus de charge de la batterie.

Puces de charge de batterie L6924D et L6924U

Ces microcircuits sont des dispositifs dotés de capacités supérieures à celles du STBC08 et du STC4054. La figure 3 montre des schémas de circuit typiques pour connecter des microcircuits et .

Riz. 3.

Considérons les caractéristiques fonctionnelles des microcircuits liées au réglage des paramètres du processus de charge de la batterie :

1. Dans les deux modifications, il est possible de définir la durée maximale de charge de la batterie à partir du moment du passage en mode de stabilisation DC (le terme « mode de charge rapide » est également utilisé). Lors de l'entrée dans ce mode, une minuterie de surveillance est démarrée, programmée pour une certaine durée T PRG par la valeur du condensateur connecté à la broche T PRG. Si avant le déclenchement de cette minuterie, la charge de la batterie n'est pas arrêtée selon l'algorithme standard (le courant circulant dans la batterie diminue en dessous de la valeur I END), alors après le déclenchement de la minuterie, la charge sera interrompue de force. A l'aide du même condensateur, la durée maximale du mode précharge est fixée : elle est égale à 1/8 de la durée T PRG. De plus, si pendant ce temps il n'y a pas de transition vers le mode de charge rapide, le circuit s'éteint.

2. Mode précharge. Si pour le dispositif STBC08, le courant dans ce mode était défini sur une valeur égale à 10 % de I BAT et que la tension de commutation en mode DC était fixée, alors dans la modification L6924U, cet algorithme est resté inchangé, mais dans la puce L6924D, les deux de ces paramètres sont réglés à l'aide de résistances externes connectées aux entrées I PRE et V PRE.

3. Le signe d'achèvement de la charge dans la troisième phase (mode de stabilisation de la tension continue) dans les appareils STBC08 et STC4054 a été fixé à une valeur égale à 10 % de I BAT. Dans les microcircuits L6924, ce paramètre est programmé par la valeur d'une résistance externe connectée à la broche I END. De plus, pour la puce L6924D, il est possible de réduire la tension au niveau de la broche V OUT de la valeur généralement acceptée de 4,2 V à 4,1 V.

4. La valeur du courant de charge maximal I PRG dans ces microcircuits est définie de manière traditionnelle - via la valeur d'une résistance externe.

Comme vous pouvez le voir, lors de la simple « charge » STBC08 et STC4054, un seul paramètre a été défini à l'aide d'une résistance externe : le courant de charge. Tous les autres paramètres étaient soit rigidement fixés, soit fonction de I BAT. Les puces L6924 ont la capacité d'affiner plusieurs paramètres supplémentaires et, en outre, de fournir une « assurance » pour la durée maximale du processus de charge de la batterie.

Pour les deux modifications du L6924, deux modes de fonctionnement sont fournis si la tension d'entrée est générée par un adaptateur réseau AC/DC. Le premier est le mode régulateur abaisseur linéaire de tension de sortie standard. Le second est le mode régulateur quasi-impulsionnel. Dans le premier cas, un courant peut être fourni à la charge dont la valeur est légèrement inférieure à la valeur du courant d'entrée prélevé sur l'adaptateur. En mode de stabilisation DC (deuxième phase - phase de charge rapide), la différence entre la tension d'entrée et la tension au « plus » de la batterie est dissipée sous forme d'énergie thermique, de sorte que la puissance dissipée dans cette phase de charge est maximum. Lors du fonctionnement en mode régulateur à découpage, un courant dont la valeur est supérieure à la valeur du courant d'entrée peut être fourni à la charge. Dans ce cas, beaucoup moins d’énergie est perdue sous forme de chaleur. Ceci, d'une part, réduit la température à l'intérieur du boîtier et, d'autre part, augmente l'efficacité de l'appareil. Mais il convient de garder à l'esprit que la précision de la stabilisation du courant en mode linéaire est d'environ 1 % et en mode pulsé d'environ 7 %.

Le fonctionnement des microcircuits L6924 en modes linéaire et quasi-impulsionnel est illustré sur la figure 4.

Riz. 4.

De plus, la puce L6924U peut fonctionner non pas à partir d'un adaptateur réseau, mais à partir d'un port USB. Dans ce cas, la puce L6924U met en œuvre certaines solutions techniques permettant de réduire davantage la dissipation de puissance en augmentant la durée de charge.

Les puces L6924D et L6924U disposent d'une entrée supplémentaire pour l'interruption forcée de la charge (c'est-à-dire l'arrêt de la charge) SHDN.

Dans les microcircuits de charge simples, la protection thermique consiste à arrêter la charge lorsque la température à l'intérieur du boîtier du microcircuit atteint 120°C. Bien sûr, cela vaut mieux que pas de protection du tout, mais la valeur de 120°C sur le boîtier est plus que conditionnellement liée à la température de la batterie elle-même. Les produits L6924 offrent la possibilité de connecter une thermistance directement liée à la température de la batterie (résistance RT1 sur la figure 3). Dans ce cas, il devient possible de régler la plage de température dans laquelle la charge de la batterie sera possible. D'une part, il n'est pas recommandé de charger des batteries au lithium à des températures inférieures à zéro, et d'autre part, il est également fortement déconseillé que la batterie chauffe à plus de 50°C pendant la charge. L'utilisation d'une thermistance permet de charger la batterie uniquement dans des conditions de température favorables.

Naturellement, les fonctionnalités supplémentaires des puces L6924D et L6924U étendent non seulement les capacités du dispositif conçu, mais conduisent également à une augmentation de la surface de la carte, occupée à la fois par le corps de la puce lui-même et par des éléments de finition externes.

Puces de chargement de batterie STBC21 et STw4102

Il s'agit d'une nouvelle amélioration de la puce L6924. D'une part, à peu près le même package fonctionnel est implémenté :

• Mode linéaire et quasi-impulsion.
• Thermistance connectée à la batterie comme élément clé de la protection contre la température.
• Possibilité de définir des paramètres quantitatifs pour les trois phases du processus de charge.

Quelques fonctionnalités supplémentaires qui manquaient dans le L6924 :

• Protection contre l'inversion de polarité.
• Protection de court circuit.
• Une différence significative par rapport au L6924 est la présence d'une interface numérique I 2 C pour définir les valeurs des paramètres et d'autres réglages. Cela permet des réglages plus précis du processus de charge. Le schéma de connexion recommandé est illustré à la figure 5. Évidemment, dans ce cas, la question de l'économie de surface de la carte et des caractéristiques strictes de poids et de taille ne se pose pas. Mais il est également évident que l'utilisation de ce microcircuit dans des enregistreurs vocaux, des lecteurs et des modèles simples de téléphones portables n'est pas prévue. Il s'agit plutôt de batteries pour ordinateurs portables et appareils similaires, où le remplacement de la batterie est une procédure peu fréquente, mais également coûteuse.

Riz. 5.

5. Camiolo Jean, Scuderi Giuseppe. Réduction de la consommation électrique totale à vide des chargeurs de batterie et des applications d'adaptateurs Polymère // Matériau de STMicroelectronics. Mise en ligne :

7. STEVAL-ISV012V1 : chargeur de batterie solaire lithium-ion//Matériel de STMicroelectronics. Mise en ligne : .

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