Ura - oblikovalec. Vse za litijeve baterije: STM IC za polnilnike in nadzor baterije L6924D in L6924U IC za polnjenje baterij

Baterija je pogost vir energije za različne mobilne naprave, pripomočke, robote... Brez nje razred prenosnih naprav verjetno ne bi obstajal oziroma ne bi bil prepoznaven. Eno najsodobnejših vrst baterij lahko upravičeno štejemo za litij-ionske in litij-polimerne. Toda naprava je delovala, baterija je izpraznjena, zdaj morate izkoristiti njeno glavno razliko od preprostih baterij - napolnite jo.

Članek bo na kratko govoril o dveh skupnih mikrovezjih (natančneje o enem skupnem LTC4054 in njegovi podobni zamenjavi STC4054) za polnjenje litij-ionskih baterij z eno pločevinko.

Ta mikrovezja so enaka, razlika je le v proizvajalcu in ceni. Še en velik plus je majhna količina ožičenja - samo 2 pasivni komponenti: vhodni kondenzator 1 µF in upor za nastavitev toka. Po želji lahko dodate LED - indikator stanja polnjenja - polnjenje je v teku; Napajalna napetost 4,25-6,5 V, t.j. Polnjenje se napaja z običajnimi 5 V, ni zaman, da je večina preprostih polnilnikov z USB-jem zgrajena na podlagi teh mikrovezij. Polni do 4,2 V. Največji tok 800mA.

Plošča temelji na polnilnem čipu LTC4054 ali STC4054. Vhodni kondenzator s kapaciteto 1 μF standardne velikosti 0805. Upor za nastavitev toka 0805, upor je izračunan spodaj. In LED 0604 ali 0805 z uporom za omejevanje toka velikosti 0805 pri 680 Ohm.

Upor (ali polnilni tok) se izračuna po naslednjih formulah:

Ker Vprog=~1V, dobimo naslednje poenostavljene formule

Nekaj ​​primerov izračuna:

Nazadnje, nekaj fotografij domače možnosti USB polnjenja za litij-polimerne baterije majhnega helikopterja.

V sodobnih mobilnih elektronskih napravah, tudi tistih, ki so zasnovane za minimalno porabo energije, postaja uporaba neobnovljivih baterij stvar preteklosti. In z ekonomskega vidika - že v kratkem času bo skupni strošek potrebnega števila baterij za enkratno uporabo hitro presegel ceno ene baterije, in z vidika udobja uporabnika - lažje je ponovno napolniti baterijo, kot pa iskati, kje kupiti novo baterijo. Skladno s tem postajajo polnilniki baterij blago z zagotovljenim povpraševanjem. Ni presenetljivo, da so skoraj vsi proizvajalci integriranih vezij za napajalne naprave pozorni na smer "polnjenja".

Pred samo petimi leti se je razprava o mikrovezjih za polnjenje baterij (Battery Chargers IC) začela s primerjavo glavnih vrst baterij - nikelj in litij. Toda trenutno so se nikelj baterije praktično prenehale uporabljati in večina proizvajalcev polnilnih čipov je popolnoma prenehala proizvajati čipe za nikelj baterije ali pa proizvaja čipe, ki so invariantni baterijski tehnologiji (tako imenovani Multi-Chemistry IC). Paleta izdelkov STMicroelectronics trenutno vključuje samo mikrovezja, ki so zasnovana za delo z litijevimi baterijami.

Naj na kratko spomnimo glavne značilnosti litijevih baterij. Prednosti:

• Visoka specifična električna zmogljivost. Tipične vrednosti so 110...160 W*h*kg, kar je 1,5...2,0-krat več od enakega parametra za nikelj baterije. Skladno s tem je z enakimi dimenzijami zmogljivost litijeve baterije večja.
• Nizko samopraznjenje: približno 10 % na mesec. V nikelj baterijah je ta parameter 20 ... 30%.

Ni "spominskega učinka", zaradi česar je ta baterija enostavna za vzdrževanje: baterije ni treba izprazniti do minimuma pred ponovnim polnjenjem.

Slabosti litijevih baterij:

• Potreba po tokovni in napetostni zaščiti. Zlasti je treba izključiti možnost kratkega stika na sponkah akumulatorja, napajalne napetosti z obratno polarnostjo ali prekomernega polnjenja.
• Potreba po zaščiti pred pregrevanjem: segrevanje baterije nad določeno temperaturo negativno vpliva na njeno zmogljivost in življenjsko dobo.

Obstajata dve industrijski tehnologiji za izdelavo litijevih baterij: litij-ionska (Li-Ion) in litij-polimerna (Li-Pol). Ker pa so algoritmi polnjenja za te baterije enaki, polnilni čipi ne ločujejo litij-ionske in litij-polimerne tehnologije. Zaradi tega bomo preskočili razpravo o prednostih in slabostih Li-Ion in Li-Pol baterij in se sklicevali na literaturo.

Oglejmo si algoritem za polnjenje litijevih baterij, prikazan na sliki 1.

riž. 1.

Prva faza, tako imenovano predpolnjenje, se uporablja samo v primerih, ko je baterija zelo izpraznjena. Če je napetost baterije pod 2,8 V, je ni mogoče takoj napolniti z največjim možnim tokom: to bo imelo izjemno negativen vpliv na življenjsko dobo baterije. Baterijo je treba najprej »napolniti« z nizkim tokom na približno 3,0 V in šele nato postane dovoljeno polnjenje z največjim tokom.

Druga faza: polnilec kot vir stalnega toka. V tej fazi skozi baterijo teče največji tok za dane pogoje. Hkrati se napetost akumulatorja postopoma povečuje, dokler ne doseže mejne vrednosti 4,2 V. Strogo gledano se po zaključku druge stopnje polnjenje lahko ustavi, vendar je treba upoštevati, da se akumulator trenutno polni s približno 70 % svoje zmogljivosti. Upoštevajte, da se v mnogih polnilnikih največji tok ne dovaja takoj, ampak postopoma narašča do maksimuma v nekaj minutah - uporablja se mehanizem "mehkega zagona".

Če je zaželeno napolniti baterijo do vrednosti zmogljivosti blizu 100%, potem preidemo na tretjo fazo: polnilnik kot vir konstantne napetosti. Na tej stopnji se na baterijo napaja konstantna napetost 4,2 V, tok, ki teče skozi baterijo, pa se med polnjenjem zmanjša od največje do neke vnaprej določene minimalne vrednosti. V trenutku, ko se trenutna vrednost zmanjša na to mejo, se šteje, da je polnjenje baterije končano in postopek se konča.

Naj vas spomnimo, da je eden ključnih parametrov baterije njena kapaciteta (merska enota - A*ura). Tako je tipična kapaciteta litij-ionske baterije velikosti AAA 750...1300 mAh. Kot izpeljanka tega parametra se uporablja karakteristika toka 1C; to je vrednost toka, ki je številčno enaka nazivni zmogljivosti (v danem primeru - 750...1300 mA). Vrednost "toka 1C" je smiselna samo kot določitev največje vrednosti toka pri polnjenju baterije in trenutne vrednosti, pri kateri se šteje, da je polnjenje končano. Splošno sprejeto je, da največja vrednost toka ne sme preseči 1*1C, polnjenje baterije pa se lahko šteje za popolno, ko se tok zmanjša na 0,05...0,10*1C. Toda to so parametri, ki se lahko štejejo za optimalne za določeno vrsto baterije. V resnici lahko isti polnilec deluje z baterijami različnih proizvajalcev in različnih kapacitet, medtem ko kapaciteta posamezne baterije ostaja polnilcu neznana. Posledično polnjenje baterije katere koli zmogljivosti na splošno ne bo potekalo v optimalnem načinu za baterijo, ampak v načinu, ki je prednastavljen za polnilnik.

Pojdimo k razmisleku o liniji polnilnih mikrovezij iz STMicroelectronics.

Čipa STBC08 in STC4054

Ta mikrovezja so dokaj preprosti izdelki za polnjenje litijevih baterij. Mikrovezja so izdelana v miniaturnih paketih tipa oz. To omogoča uporabo teh komponent v mobilnih napravah z dokaj strogimi zahtevami glede teže in velikosti (na primer mobilni telefoni, MP3 predvajalniki). Diagrami povezav so prikazani na sliki 2.

riž. 2.

Kljub omejitvam, ki jih nalaga minimalno število zunanjih zatičev v paketih, imajo mikrovezja precej široko funkcionalnost:

• Ni potrebe po zunanjem MOSFET-u, blokirni diodi ali tokovnem uporu. Kot izhaja iz slike 2, je zunanja napeljava omejena s filtrskim kondenzatorjem na vhodu, programirnim uporom in dvema (za STC4054 - eno) indikatorskimi LED.
• Največja vrednost polnilnega toka je programirana z vrednostjo zunanjega upora in lahko doseže vrednost 800 mA. Dejstvo o koncu polnjenja je določeno v trenutku, ko v načinu konstantne napetosti vrednost polnilnega toka pade na vrednost 0,1*I BAT, to je tudi določena z vrednostjo zunanjega upora . Največji polnilni tok se določi iz razmerja:

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

kjer je I BAT polnilni tok v amperih, R PROG upornost upora v ohmih, V PROG napetost na izhodu PROG, enaka 1,0 volta.

• V načinu konstantne napetosti se na izhodu ustvari stabilna napetost 4,2 V z natančnostjo, ki ni slabša od 1%.
• Polnjenje močno izpraznjenih baterij se začne samodejno v načinu predpolnjenja. Dokler napetost na izhodu baterije ne doseže 2,9 V, se polnjenje izvaja s šibkim tokom 0,1*I BAT. Ta metoda, kot smo že omenili, preprečuje zelo verjetno napako pri poskusu polnjenja močno izpraznjenih baterij na običajen način. Poleg tega je začetna vrednost polnilnega toka prisilno omejena, kar tudi podaljša življenjsko dobo baterij.
• Implementiran je bil samodejni način postopnega polnjenja - ko napetost baterije pade na 4,05 V, se bo cikel polnjenja znova zagnal. To vam omogoča, da zagotovite stalno napolnjenost baterije na ravni, ki ni nižja od 80% njene nazivne zmogljivosti.
• Zaščita pred prenapetostjo in pregrevanjem. Če vhodna napetost preseže določeno mejo (zlasti 7,2 V) ali če temperatura ohišja preseže 120 °C, se polnilec izklopi in tako zaščiti sebe in baterijo. Seveda je izvedena tudi zaščita pred nizko vhodno napetostjo - če vhodna napetost pade pod določeno raven (U VLO), se polnilec tudi izklopi.
• Možnost priključitve indikatorskih LED omogoča uporabniku, da ima predstavo o trenutnem stanju procesa polnjenja baterije.

Čipa za polnjenje baterije L6924D in L6924U

Ta mikrovezja so naprave z večjimi zmogljivostmi v primerjavi s STBC08 in STC4054. Slika 3 prikazuje tipične sheme vezja za povezovanje mikrovezij in .

riž. 3.

Razmislimo o tistih funkcionalnih značilnostih mikrovezij, ki se nanašajo na nastavitev parametrov procesa polnjenja baterije:

1. V obeh modifikacijah je mogoče nastaviti najdaljše trajanje polnjenja baterije od trenutka preklopa v način stabilizacije DC (uporablja se tudi izraz "način hitrega polnjenja"). Ko vstopite v ta način, se zažene nadzorni časovnik, programiran za določeno trajanje T PRG z vrednostjo kondenzatorja, priključenega na pin T PRG. Če se pred sprožitvijo tega časovnika polnjenje baterije ne ustavi po standardnem algoritmu (tok, ki teče skozi baterijo, pade pod vrednost I END), potem se po sprožitvi časovnika polnjenje prisilno prekine. Z uporabo istega kondenzatorja je nastavljeno največje trajanje načina predpolnjenja: enako je 1/8 trajanja T PRG. Tudi, če v tem času ne pride do prehoda v način hitrega polnjenja, se vezje izklopi.

2. Način predhodnega polnjenja. Če je bil za napravo STBC08 tok v tem načinu nastavljen na vrednost, ki je enaka 10% I BAT, in je bila preklopna napetost v način DC določena, potem je bil v modifikaciji L6924U ta algoritem ohranjen nespremenjen, v čipu L6924D pa oba od teh parametrov se nastavijo z uporabo zunanjih uporov, priključenih na vhoda I PRE in V PRE.

3. Predznak zaključka polnjenja v tretji fazi (način stabilizacije enosmerne napetosti) v napravah STBC08 in STC4054 je bil nastavljen kot vrednost enaka 10% I BAT. V mikrovezjih L6924 je ta parameter programiran z vrednostjo zunanjega upora, priključenega na pin I END. Poleg tega je za čip L6924D mogoče zmanjšati napetost na zatiču V OUT s splošno sprejete vrednosti 4,2 V na 4,1 V.

4. Vrednost največjega polnilnega toka I PRG v teh mikrovezjih je nastavljena na tradicionalen način - z vrednostjo zunanjega upora.

Kot lahko vidite, je bil pri preprostem "polnjenju" STBC08 in STC4054 z uporabo zunanjega upora nastavljen samo en parameter - polnilni tok. Vsi drugi parametri so bili togo določeni ali pa so bili funkcija I BAT. Čipi L6924 imajo možnost natančne nastavitve več parametrov in poleg tega zagotavljajo "zavarovanje" za maksimalno trajanje procesa polnjenja baterije.

Za obe modifikaciji L6924 sta na voljo dva načina delovanja, če vhodno napetost ustvari omrežni adapter AC/DC. Prvi je način standardnega linearnega regulatorja izhodne napetosti. Drugi je način kvazi impulznega regulatorja. V prvem primeru se tok lahko napaja na breme, katerega vrednost je nekoliko manjša od vrednosti vhodnega toka, vzetega iz adapterja. V načinu stabilizacije enosmernega toka (druga faza - faza hitrega polnjenja) se razlika med vhodno napetostjo in napetostjo na “plusu” baterije razprši kot toplotna energija, zaradi česar je razpršena moč v tej fazi polnjenja maksimum. Pri delovanju v načinu preklopnega regulatorja se lahko bremenu dovaja tok, katerega vrednost je višja od vrednosti vhodnega toka. V tem primeru se bistveno manj energije izgubi v toploto. To, prvič, zmanjša temperaturo v ohišju, in drugič, poveča učinkovitost naprave. Vendar je treba upoštevati, da je natančnost trenutne stabilizacije v linearnem načinu približno 1%, v impulznem načinu pa približno 7%.

Delovanje mikrovezja L6924 v linearnem in kvaziimpulznem načinu je prikazano na sliki 4.

riž. 4.

Čip L6924U poleg tega lahko deluje ne iz omrežnega adapterja, temveč iz vrat USB. V tem primeru čip L6924U izvaja nekatere tehnične rešitve, ki lahko dodatno zmanjšajo disipacijo energije s podaljšanjem trajanja polnjenja.

Čipa L6924D in L6924U imata dodaten vhod za prisilno prekinitev polnjenja (to je izklop obremenitve) SHDN.

Pri enostavnih mikrovezjih za polnjenje je temperaturna zaščita sestavljena iz ustavitve polnjenja, ko se temperatura v ohišju mikrovezja dvigne na 120 °C. To je seveda bolje kot nobena zaščita, a vrednost 120°C na ohišju je več kot pogojno povezana s temperaturo same baterije. Izdelki L6924 omogočajo priključitev termistorja, ki je neposredno povezan s temperaturo baterije (upor RT1 na sliki 3). V tem primeru je mogoče nastaviti temperaturno območje, v katerem bo možno polnjenje baterije. Po eni strani ni priporočljivo polniti litijevih baterij pri temperaturah pod ničlo, po drugi strani pa je tudi zelo nezaželeno, če se baterija med polnjenjem segreje na več kot 50°C. Uporaba termistorja omogoča polnjenje baterije le pri ugodnih temperaturnih pogojih.

Seveda dodatna funkcionalnost čipov L6924D in L6924U ne samo razširi zmogljivosti zasnovane naprave, ampak vodi tudi do povečanja površine na plošči, ki jo zasedajo samo telo čipa in zunanji elementi za okrasitev.

Čipa za polnjenje baterije STBC21 in STw4102

To je nadaljnja izboljšava čipa L6924. Po eni strani je implementiran približno enak funkcionalni paket:

• Linearni in kvaziimpulzni način.
• Termistor povezan z baterijo kot ključni element temperaturne zaščite.
• Možnost nastavitve kvantitativnih parametrov za vse tri faze procesa polnjenja.

Nekatere dodatne funkcije, ki manjkajo v L6924:

• Zaščita pred obratno polarnostjo.
• Zaščita pred kratkim stikom.
• Pomembna razlika od L6924 je prisotnost digitalnega vmesnika I 2 C za nastavitev vrednosti parametrov in druge nastavitve. Posledično so možne natančnejše nastavitve postopka polnjenja. Priporočeni povezovalni diagram je prikazan na sliki 5. Očitno se v tem primeru ne postavlja vprašanje varčevanja s površino plošče in strogih značilnosti teže in velikosti. Očitno pa je tudi, da uporaba tega mikrovezja v majhnih diktafonih, predvajalnikih in preprostih modelih mobilnih telefonov ni namenjena. Prej so to baterije za prenosnike in podobne naprave, kjer je menjava baterije sicer redek poseg, a tudi ne poceni.

riž. 5.

5. Camiolo Jean, Scuderi Giuseppe. Zmanjšanje skupne porabe energije brez obremenitve polnilnikov baterij in polimernih aplikacij // Gradivo STMicroelectronics. Spletna objava:

7. STEVAL-ISV012V1: litij-ionski solarni polnilec//Gradivo STMicroelectronics. Spletna objava: .

Pridobitev tehničnih informacij, naročilo vzorcev, dostava - e-pošta: