Ora - projektues. Gjithçka për bateritë e litiumit: IC-të STM për karikuesit dhe monitorimi i baterive L6924D dhe IC-të e karikimit të baterive L6924U

Bateria është një burim i zakonshëm energjie për pajisje të ndryshme celulare, pajisje, robotë... Pa të, klasa e pajisjeve portative ndoshta nuk do të ekzistonte ose nuk do të njihej. Një nga llojet më moderne të baterive me të drejtë mund të konsiderohet litium-jon dhe litium-polimer. Por pajisja ka funksionuar, bateria është e rraskapitur, tani ju duhet të përfitoni nga ndryshimi i saj kryesor nga bateritë e thjeshta - karikoni atë.

Artikulli do të flasë shkurtimisht për dy mikroqarqe të zakonshme (më saktë, për një LTC4054 të zakonshëm dhe zëvendësimin e tij të ngjashëm STC4054) për karikimin e baterive Li-ion me një kanaçe.

Këto mikroqarqe janë identike, ndryshimi i vetëm është në prodhues dhe çmim. Një tjetër plus i madh është sasia e vogël e instalimeve elektrike - vetëm 2 komponentë pasivë: një kondensator hyrës 1 µF dhe një rezistencë për vendosjen e rrymës. Nëse dëshironi, mund të shtoni një LED - një tregues i statusit të procesit të karikimit - karikimi është në proces; Tensioni i furnizimit 4,25-6,5 V, d.m.th. Ngarkimi mundësohet nga 5V i zakonshëm, nuk është më kot që shumica e karikuesve të thjeshtë me energji USB janë ndërtuar në bazë të këtyre mikroqarqeve. Karikon deri në 4.2V. Rryma maksimale 800 mA.

Bordi bazohet në një çip karikimi LTC4054 ose STC4054. Kondensatori hyrës me kapacitet 1 μF me madhësi standarde 0805. Rezistenca e vendosjes së rrymës 0805, rezistenca llogaritet më poshtë. Dhe LED 0604 ose 0805 me një rezistencë kufizuese të rrymës me madhësi 0805 në 680 Ohm.

Rezistenca (ose rryma e ngarkimit) llogaritet duke përdorur formulat e mëposhtme:

Sepse Vprog=~1V, marrim formulat e thjeshtuara të mëposhtme

Disa shembuj të llogaritjes:

Së fundi, disa foto të një opsioni të karikimit USB të bërë në shtëpi për bateritë polimer litium të një helikopteri të vogël.

Në pajisjet moderne të lëvizshme elektronike, madje edhe ato të dizajnuara për të minimizuar konsumin e energjisë, përdorimi i baterive jo të rinovueshme po bëhet një gjë e së kaluarës. Dhe nga pikëpamja ekonomike - tashmë për një periudhë të shkurtër kohore, kostoja totale e numrit të kërkuar të baterive të disponueshme do të tejkalojë shpejt koston e një baterie, dhe nga pikëpamja e komoditetit të përdoruesit - është më e lehtë të rimbushni baterinë sesa të kërkoni ku të blini një bateri të re. Prandaj, karikuesit e baterive po bëhen një mall me kërkesë të garantuar. Nuk është për t'u habitur që pothuajse të gjithë prodhuesit e qarqeve të integruara për pajisjet e furnizimit me energji i kushtojnë vëmendje drejtimit të "karikimit".

Vetëm pesë vjet më parë, diskutimi i mikroqarqeve për karikimin e baterive (Battery Chargers IC) filloi me një krahasim të llojeve kryesore të baterive - nikel dhe litium. Por aktualisht, bateritë e nikelit praktikisht kanë pushuar së përdoruri dhe shumica e prodhuesve të çipave të ngarkuar ose kanë ndërprerë plotësisht prodhimin e çipave për bateritë e nikelit ose prodhojnë çipa që janë të pandryshueshme ndaj teknologjisë së baterive (i ashtuquajturi IC Multi-Chemistry). Gama e produkteve STMicroelectronics aktualisht përfshin vetëm mikroqarqe të dizajnuara për të punuar me bateri litium.

Le të kujtojmë shkurtimisht tiparet kryesore të baterive të litiumit. Përparësitë:

• Kapacitet i lartë specifik elektrik. Vlerat tipike janë 110...160 W*orë*kg, që është 1.5...2.0 herë më e lartë se i njëjti parametër për bateritë e nikelit. Prandaj, me dimensione të barabarta, kapaciteti i një baterie litium është më i lartë.
• Vetë-shkarkim i ulët: afërsisht 10% në muaj. Në bateritë e nikelit ky parametër është 20...30%.

Nuk ka "efekt memorie", duke e bërë këtë bateri të lehtë për t'u mirëmbajtur: nuk ka nevojë të shkarkohet bateria në minimum përpara se të rikarikohet.

Disavantazhet e baterive të litiumit:

• Nevoja për mbrojtje nga rryma dhe tensioni. Në veçanti, është e nevojshme të përjashtohet mundësia e lidhjes së shkurtër të terminaleve të baterisë, furnizimit me tension me polaritet të kundërt ose mbingarkesës.
• Nevoja për mbrojtje nga mbinxehja: ngrohja e baterisë mbi një temperaturë të caktuar ndikon negativisht në kapacitetin dhe jetën e saj të shërbimit.

Ekzistojnë dy teknologji industriale për prodhimin e baterive të litiumit: litium-jon (Li-Ion) dhe litium-polimer (Li-Pol). Megjithatë, duke qenë se algoritmet e karikimit për këto bateri janë të njëjta, çipat e karikimit nuk i ndajnë teknologjitë litium-jon dhe litium-polimer. Për këtë arsye, ne do të anashkalojmë diskutimin e avantazheve dhe disavantazheve të baterive Li-Ion dhe Li-Pol, duke iu referuar literaturës.

Le të shqyrtojmë algoritmin për karikimin e baterive të litiumit, të paraqitur në Figurën 1.

Oriz. 1.

Faza e parë, e ashtuquajtura para-karikimi, përdoret vetëm në rastet kur bateria është shumë e shkarkuar. Nëse voltazhi i baterisë është nën 2.8 V, atëherë nuk mund të ngarkohet menjëherë me rrymën maksimale të mundshme: kjo do të ketë një ndikim jashtëzakonisht negativ në jetëgjatësinë e baterisë. Është e nevojshme që fillimisht të "ringarkoni" baterinë me një rrymë të ulët në afërsisht 3.0 V, dhe vetëm pas kësaj mbushja me një rrymë maksimale bëhet e lejueshme.

Faza e dytë: karikuesi si burim i rrymës konstante. Në këtë fazë, rryma maksimale për kushtet e dhëna rrjedh nëpër bateri. Në të njëjtën kohë, tensioni i baterisë rritet gradualisht derisa të arrijë një vlerë kufi prej 4,2 V. Në mënyrë rigoroze, me përfundimin e fazës së dytë, ngarkimi mund të ndërpritet, por duhet pasur parasysh se bateria aktualisht është e karikuar nga rreth 70% të kapacitetit të saj. Vini re se në shumë karikues rryma maksimale nuk furnizohet menjëherë, por gradualisht rritet në maksimum gjatë disa minutave - përdoret një mekanizëm "Fillimi i butë".

Nëse është e dëshirueshme të ngarkoni baterinë në vlerat e kapacitetit afër 100%, atëherë kalojmë në fazën e tretë: karikuesi si burim i tensionit konstant. Në këtë fazë, një tension konstant prej 4.2 V aplikohet në bateri, dhe rryma që rrjedh përmes baterisë zvogëlohet nga një maksimum në një vlerë minimale të paracaktuar gjatë karikimit. Në momentin kur vlera aktuale ulet në këtë kufi, ngarkimi i baterisë konsiderohet i plotë dhe procesi përfundon.

Ju kujtojmë se një nga parametrat kryesorë të një baterie është kapaciteti i saj (njësia matëse - A*orë). Kështu, kapaciteti tipik i një baterie litium-jon me madhësi AAA është 750...1300 mAh. Si një derivat i këtij parametri, përdoret karakteristika "aktuale 1C", kjo është një vlerë aktuale numerikisht e barabartë me kapacitetin e vlerësuar (në shembullin e dhënë - 750 ... 1300 mA). Vlera e "rrymës 1C" ka kuptim vetëm si një përcaktim i vlerës maksimale të rrymës kur ngarkoni baterinë dhe vlerës aktuale në të cilën ngarkimi konsiderohet i plotë. Në përgjithësi pranohet që vlera maksimale e rrymës nuk duhet të kalojë 1*1C dhe ngarkimi i baterisë mund të konsiderohet i plotë kur rryma ulet në 0.05...0.10*1C. Por këto janë parametrat që mund të konsiderohen optimale për një lloj të caktuar baterie. Në realitet, i njëjti karikues mund të punojë me bateri nga prodhues të ndryshëm dhe me kapacitete të ndryshme, ndërsa kapaciteti i një baterie të caktuar mbetet i panjohur për karikuesin. Rrjedhimisht, karikimi i një baterie të çdo kapaciteti në përgjithësi nuk do të ndodhë në modalitetin optimal për baterinë, por në modalitetin e paracaktuar për karikuesin.

Le të vazhdojmë të shqyrtojmë linjën e karikimit të mikroqarqeve nga STMicroelectronics.

Çipat STBC08 dhe STC4054

Këto mikroqarqe janë produkte mjaft të thjeshta për karikimin e baterive të litiumit. Mikroqarqet bëhen në pako miniaturë të tipit dhe, përkatësisht. Kjo lejon përdorimin e këtyre komponentëve në pajisjet mobile me kërkesa mjaft të rrepta për karakteristikat e peshës dhe madhësisë (për shembull, telefonat celularë, MP3 player). Diagramet e lidhjes janë paraqitur në Figurën 2.

Oriz. 2.

Pavarësisht kufizimeve të vendosura nga numri minimal i kunjave të jashtme në paketa, mikroqarqet kanë funksionalitet mjaft të gjerë:

• Nuk ka nevojë për një MOSFET të jashtëm, diodë bllokuese ose rezistencë aktuale. Siç vijon nga Figura 2, instalimet elektrike të jashtme kufizohen nga një kondensator filtri në hyrje, një rezistencë programimi dhe dy LED tregues (për STC4054 - një).
• Vlera maksimale e rrymës së ngarkimit programohet nga vlera e rezistencës së jashtme dhe mund të arrijë një vlerë prej 800 mA. Fakti i përfundimit të karikimit përcaktohet në momentin kur, në modalitetin e tensionit konstant, vlera e rrymës së karikimit bie në një vlerë prej 0.1*I BAT, domethënë vendoset edhe nga vlera e rezistencës së jashtme. . Rryma maksimale e ngarkimit përcaktohet nga marrëdhënia:

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

ku I BAT është rryma e ngarkimit në Amper, R PROG është rezistenca e rezistencës në Ohms, V PROG është voltazhi në daljen PROG, i barabartë me 1.0 Volt.

• Në modalitetin e tensionit konstant, një tension i qëndrueshëm prej 4.2 V gjenerohet në dalje me një saktësi jo më të keqe se 1%.
• Ngarkimi i baterive shumë të shkarkuara fillon automatikisht në modalitetin e para-karikimit. Derisa voltazhi në daljen e baterisë të arrijë 2.9 V, ngarkimi kryhet me një rrymë të dobët prej 0.1*I BAT. Kjo metodë, siç u përmend tashmë, parandalon një dështim shumë të mundshëm kur përpiqeni të ngarkoni bateritë e shkarkuara rëndë në mënyrën e zakonshme. Për më tepër, vlera fillestare e rrymës së karikimit është e kufizuar me forcë, gjë që gjithashtu rrit jetën e shërbimit të baterive.
• Është zbatuar një mënyrë automatike e karikimit me rrjedhje - kur voltazhi i baterisë të bjerë në 4,05 V, cikli i karikimit do të rifillojë. Kjo ju lejon të siguroni një ngarkesë të vazhdueshme të baterisë në një nivel jo më të ulët se 80% të kapacitetit të saj nominal.
• Mbrojtje nga mbitensioni dhe mbinxehja. Nëse voltazhi i hyrjes tejkalon një kufi të caktuar (në veçanti, 7.2 V) ose nëse temperatura e kasës kalon 120°C, karikuesi fiket, duke mbrojtur veten dhe baterinë. Sigurisht, zbatohet edhe mbrojtja e tensionit të ulët të hyrjes - nëse tensioni i hyrjes bie nën një nivel të caktuar (U VLO), ngarkuesi gjithashtu do të fiket.
• Aftësia për të lidhur LED tregues i lejon përdoruesit të ketë një ide për gjendjen aktuale të procesit të karikimit të baterisë.

Çipat e ngarkimit të baterisë L6924D dhe L6924U

Këto mikroqarqe janë pajisje me aftësi më të mëdha në krahasim me STBC08 dhe STC4054. Figura 3 tregon diagramet tipike të qarkut për lidhjen e mikroqarqeve dhe .

Oriz. 3.

Le të shqyrtojmë ato veçori funksionale të mikroqarqeve që lidhen me vendosjen e parametrave të procesit të karikimit të baterisë:

1. Në të dy modifikimet, është e mundur të caktohet kohëzgjatja maksimale e karikimit të baterisë duke filluar nga momenti i kalimit në modalitetin e stabilizimit DC (përdoret edhe termi "modaliteti i ngarkimit të shpejtë"). Kur hyni në këtë modalitet, fillon një kohëmatës vëzhgues, i programuar për një kohëzgjatje të caktuar T PRG nga vlera e kondensatorit të lidhur me pinin T PRG. Nëse përpara se të aktivizohet ky kohëmatës, ngarkimi i baterisë nuk ndalet sipas algoritmit standard (rryma që rrjedh nëpër bateri ulet nën vlerën I END), atëherë pasi të aktivizohet kohëmatësi, karikimi do të ndërpritet me forcë. Duke përdorur të njëjtin kondensator, vendoset kohëzgjatja maksimale e mënyrës së para-karikimit: është e barabartë me 1/8 e kohëzgjatjes T PRG. Gjithashtu, nëse gjatë kësaj kohe nuk ka kalim në modalitetin e karikimit të shpejtë, qarku fiket.

2. Modaliteti i karikimit paraprak. Nëse për pajisjen STBC08 rryma në këtë mënyrë u vendos si një vlerë e barabartë me 10% të I BAT, dhe tensioni i kalimit në modalitetin DC ishte fiksuar, atëherë në modifikimin L6924U ky algoritëm u ruajt i pandryshuar, por në çipin L6924D të dyja nga këto parametra vendosen duke përdorur rezistorë të jashtëm të lidhur me hyrjet I PRE dhe V PRE.

3. Shenja e përfundimit të karikimit në fazën e tretë (modaliteti i stabilizimit të tensionit DC) në pajisjet STBC08 dhe STC4054 u vendos si një vlerë e barabartë me 10% të I BAT. Në mikroqarqet L6924, ky parametër programohet nga vlera e një rezistence të jashtme të lidhur me pinin I END. Për më tepër, për çipin L6924D, është e mundur të zvogëlohet tensioni në pinin V OUT nga vlera e pranuar përgjithësisht prej 4.2 V në 4.1 V.

4. Vlera e rrymës maksimale të karikimit I PRG në këto mikroqarqe vendoset në mënyrën tradicionale - përmes vlerës së një rezistence të jashtme.

Siç mund ta shihni, në "karikimin" e thjeshtë STBC08 dhe STC4054, u vendos vetëm një parametër duke përdorur një rezistencë të jashtme - rrymën e karikimit. Të gjithë parametrat e tjerë ishin ose të fiksuar në mënyrë të ngurtë ose ishin një funksion i I BAT. Çipat L6924 kanë aftësinë të rregullojnë mirë disa parametra të tjerë dhe, përveç kësaj, të ofrojnë "sigurim" për kohëzgjatjen maksimale të procesit të karikimit të baterisë.

Për të dy modifikimet e L6924, sigurohen dy mënyra funksionimi nëse voltazhi i hyrjes gjenerohet nga një përshtatës rrjeti AC/DC. E para është mënyra standarde e rregullatorit linear të tensionit të daljes. E dyta është mënyra e rregullatorit pothuajse të pulsit. Në rastin e parë, një rrymë mund të furnizohet në ngarkesë, vlera e së cilës është pak më e vogël se vlera e rrymës hyrëse të marrë nga përshtatësi. Në modalitetin e stabilizimit DC (faza e dytë - Faza e ngarkimit të shpejtë), diferenca midis tensionit të hyrjes dhe tensionit në "plus" të baterisë shpërndahet si energji termike, si rezultat i së cilës fuqia e shpërndarë në këtë fazë ngarkimi është maksimale. Kur punoni në modalitetin e rregullatorit të komutimit, një rrymë vlera e së cilës është më e lartë se vlera e rrymës hyrëse mund t'i jepet ngarkesës. Në këtë rast, shumë më pak energji humbet në nxehtësi. Kjo, së pari, zvogëlon temperaturën brenda kutisë, dhe së dyti, rrit efikasitetin e pajisjes. Por duhet të kihet parasysh se saktësia e stabilizimit aktual në modalitetin linear është afërsisht 1%, dhe në modalitetin pulsues - rreth 7%.

Funksionimi i mikroqarqeve L6924 në modalitete lineare dhe kuazi-pulsore është ilustruar në Figurën 4.

Oriz. 4.

Për më tepër, çipi L6924U mund të funksionojë jo nga një përshtatës rrjeti, por nga një port USB. Në këtë rast, çipi L6924U zbaton disa zgjidhje teknike që mund të reduktojnë më tej shpërndarjen e energjisë duke rritur kohëzgjatjen e karikimit.

Çipat L6924D dhe L6924U kanë një hyrje shtesë për ndërprerjen e ngarkimit të detyruar (d.m.th., mbylljen e ngarkesës) SHDN.

Në mikroqarqet e thjeshta karikuese, mbrojtja e temperaturës konsiston në ndalimin e karikimit kur temperatura brenda kutisë së mikroqarkut rritet në 120°C. Kjo, natyrisht, është më mirë se mos mbrojtje fare, por vlera e 120°C në kasë është më shumë se kushtimisht e lidhur me temperaturën e vetë baterisë. Produktet L6924 ofrojnë mundësinë për të lidhur një termistor të lidhur drejtpërdrejt me temperaturën e baterisë (rezistenca RT1 në figurën 3). Në këtë rast, bëhet e mundur të vendoset diapazoni i temperaturës në të cilin do të jetë i mundur ngarkimi i baterisë. Nga njëra anë, nuk rekomandohet ngarkimi i baterive të litiumit në temperatura nën zero, dhe nga ana tjetër, është gjithashtu shumë e padëshirueshme nëse bateria nxehet deri në më shumë se 50°C gjatë karikimit. Përdorimi i një termistori bën të mundur ngarkimin e baterisë vetëm në kushte të favorshme të temperaturës.

Natyrisht, funksionaliteti shtesë i çipave L6924D dhe L6924U jo vetëm që zgjeron aftësitë e pajisjes së projektuar, por gjithashtu çon në një rritje të zonës në tabelë, të zënë si nga vetë trupi i çipit, ashtu edhe nga elementët e jashtëm të zbukurimit.

Çipat e karikimit të baterive STBC21 dhe STw4102

Ky është një përmirësim i mëtejshëm i çipit L6924. Nga njëra anë, zbatohet përafërsisht e njëjta paketë funksionale:

• Mënyra lineare dhe kuazi-pulsore.
• Termistori i lidhur me baterinë si një element kyç i mbrojtjes së temperaturës.
• Aftësia për të vendosur parametra sasiorë për të tre fazat e procesit të karikimit.

Disa veçori shtesë që mungonin në L6924:

• Mbrojtje nga polariteti i kundërt.
• Mbrojtje nga qarku i shkurtër.
• Një ndryshim i rëndësishëm nga L6924 është prania e një ndërfaqe dixhitale I 2 C për vendosjen e vlerave të parametrave dhe cilësimeve të tjera. Si rezultat, bëhen të mundshme cilësime më të sakta të procesit të karikimit. Diagrami i rekomanduar i lidhjes është paraqitur në Figurën 5. Natyrisht, në këtë rast, çështja e kursimit të sipërfaqes së bordit dhe karakteristikave strikte të peshës dhe madhësisë nuk lind. Por është gjithashtu e qartë se përdorimi i këtij mikroqarku në regjistruesit e zërit me përmasa të vogla, lojtarët dhe telefonat celularë të modeleve të thjeshta nuk synohet. Përkundrazi, këto janë bateri për laptopë dhe pajisje të ngjashme, ku ndërrimi i baterisë është një procedurë e rrallë, por edhe jo e lirë.

Oriz. 5.

5. Camiolo Jean, Scuderi Giuseppe. Ulja e konsumit total të energjisë pa ngarkesë të ngarkuesve të baterive dhe aplikimeve të përshtatësve polimer // Materiali nga STMicroelectronics. Postimi në internet:

7. STEVAL-ISV012V1: karikues i baterive diellore me litium-jon//Material nga STMicroelectronics. Postimi në internet: .

Marrja e informacionit teknik, porositja e mostrave, dorëzimi - e-mail: