Схема защиты литиевого аккумулятора от перезаряда

9zip.ru Радиотехника, электроника и схемы своими руками Защита литиевых аккумуляторов от перезаряда и переразряда на TP4056

Со временем у многих радиолюбителей накапливается некоторое количество литиевых аккумуляторов. Это могут быть батареи от мобильных телефонов, а также просто банки от портативных устройств.

Аккумуляторы от телефонов имеют один большой плюс: они уже имеют встроенный контроллер, который:

контролирует процесс заряда, отключая аккумулятор, когда он полностью зарядился
контролирует процесс разряда, защищая банку от глубокого переразряда
защищает аккумулятор от короткого замыкания и повышенного тока в нагрузку

Отдельные литиевые банки таких контроллеров не содержат, и для них приходится придумывать свою схему защиты. В простейшем варианте это может быть контроллер, снятый с неисправного аккумулятора телефона. Но здесь есть несколько минусов:

плата контроллера рассчитана на определённый тип аккумулятора и контролирует процесс заряда и разряда по определённому напряжению, которое может отличаться от параметров вашего аккумулятора
значение тока, при котором включается защита от короткого замыкания и чрезмерного тока, может зависеть от ёмкости аккумулятора, для которого предназначен данный контроллер
иногда бывает сложно идентифицировать микросхему контроллера на плате по её сокращённому обозначению

Мы приводим древний манускрипт, содержащий схемы подключения распространённых микросхем защиты литиевых аккумуляторов, которые контролируют как процесс заряда, так и разряда. В нём приведена распиновка, проставлены номера выводов; если на вашей плате контроллера установлен клон одной из этих микросхем, Вы без труда сможете зарисовать схему и, возможно, скорректировать номиналы обвязки под свою литиевую банку.

Нажмите для увеличения схем
Разберём работу подобного контроллера на примере микросхемы R5421. Как видно из схемы, она содержит два полевых транзистора, микросхему и несколько резисторов с конденсаторами в обвязке. Микросема-контроллер следит напряжением и током аккумулятора, управляя при этом полевиками для защиты от перезаряда и переразряда.

Микросхема R5421 в нормальном режиме имеет высокий уровень на выходах C0 и D0, два полевых транзистора находятся при этом в открытом состоянии. Литиевая банка при этом может спокойно заряжаться и разряжаться. Сопротивление канала транзисторов в открытом состоянии мало — порядка 30 миллиом. В этом режиме микросхема контроллера потребляет обычно не более 7 мкА.

Заряд литиевого аккумулятора происходит постоянным током и напряжением. В конце заряда напряжение на банке возрастает до 4,2 вольт, а ток заряда при этом становится всё меньше. По окончании процесса, если напряжение возрастёт до 4,3 вольт, это может привести к разрушению аккумулятора. Схема защиты мониторит это напряжение на уровне 4,28 вольт. При этом напряжение на выходе C0 уменьшается до низкого уровня, что приводит к закрыванию полевого транзистора (в данном случае — это V2 по схеме), что обрывает ток заряда. При этом аккумулятор может спокойно разряжаться через технологический диод VD2. Для создания некоего гистерезиса введён конденсатор C3, который создаёт паузу примерно в 1 секунду между следующим слежением за напряжением.

В процессе разряда аккумулятора, напряжение на выводах банки падает, и когда оно становится ниже 2,5 вольт, это означает, что вся ёмкость батареи исчерпана — аккумулятор разряжен, и дальнейший разряд может привести к необратимым повреждениям. Микросхема контролирует напряжение на банке, и когда оно опускается до 2,3 вольт (это напряжение зависит от типа микросхемы), напряжение на выходе D0 опускается до низкого уровня, и полевик V1 закрывается, отсекая тем самым цепь тока разряда, поэтому аккумулятор дальше не разряжается. В это время аккумулятор может свободно заряжаться через технологический диод VD1. В этом режиме микросхема потребляет менее 0,1 мкА. Аналогично, для создания задержки между мониторингом напряжения, конденсатор C3 вводит задержку примерно в 100 миллисекунд.

Производители аккумуляторов рекомендуют максимальный ток разряда, равный 2C, где C — ёмкость аккумулятора в А/ч, при превышении которого возможно разрушение аккумулятора. Ток нагрузки, протекающий через полевые транзисторы, создаёт на них падение напряжения, при превышении значения которого на выходе D0 напряжение снижается до логического нуля и полевик V1 закрывается, отключая цепь разряда. Конденсатор C3 здесь также обеспечивает таймаут перед следующим мониторингом, равный 13 миллисекундам.

Если при подключении нагрузки падение напряжения на полевых транзисторах превышает 0,9 вольт (это значение зависит от типа контроллера), микросхема снижает напряжение на выходе D0 до логического нуля, что закрывает полевик V1, защищая банку от короткого замыкания. Таймаут в этом режиме обычно составляет 7 микросекунд.

Данная микросхема является контроллером заряда литиевого аккумулятора. С помощью внешнего резистора можно задавать ток зарядка до 1А. Напряжение заряда банки у данной микросхемы равно 4,2 вольт с точностью 1,5%. Имеются выходы для подключения двух светодиодов индикации.

Китайцы продают платки таких контроллеров по 15 рублей. Индикаторные светодиоды не горят, если входное напряжение слишком низкое, температурный датчик определил слишком низкую или слишком высокую температуру (на китайских модулях терморезистор отсутствует) или если батарея не подключена. При заряде горит красный светодиод, а при окончании процесса заряда — красный гаснет и загорается зелёный.

Таблица значений внешнего резистора для задания тока заряда:

Сопротивление, кОм	Ток, мА
10	130
5	250
4	300
3	400
2	580
1.66	690
1.5	780
1.33	900
1.2	1000

Плата зарядки имеет разъём miniUSB, однако не следует подключать её к компьютеру, если резистором задан ток больше 500 мА (по умолчанию установлен резистор сопротивлением 1,2 кОм для тока 1А).

Про новые комбинированные контроллеры заряда и разряда см. здесь.

Источник

Схема контроллера литий-ионного аккумулятора

Устройство и принцип работы защитного контроллера Li-ion/polymer аккумулятора

Если расковырять любой аккумулятор от сотового телефона, то можно обнаружить, что к выводам ячейки аккумулятора припаяна небольшая печатная плата. Это так называемая схема защиты, или Protection IC.

Из-за своих особенностей литиевые аккумуляторы требуют постоянного контроля. Давайте разберёмся более детально, как устроена схема защиты, и из каких элементов она состоит.

Рядовая схема контроллера заряда литиевого аккумулятора представляет собой небольшую плату, на которой смонтирована электронная схема из SMD компонентов. Схема контроллера 1 ячейки («банки») на 3,7V, как правило, состоит из двух микросхем. Одна микросхема управляющая, а другая исполнительная – сборка двух MOSFET-транзисторов.

На фото показана плата контроллера заряда от аккумулятора на 3,7V.

Микросхема с маркировкой DW01-P в небольшом корпусе – это по сути «мозг» контроллера. Вот типовая схема включения данной микросхемы. На схеме G1 — ячейка литий-ионного или полимерного аккумулятора. FET1, FET2 — это MOSFET-транзисторы.

Цоколёвка, внешний вид и назначение выводов микросхемы DW01-P.

Транзисторы MOSFET не входят в состав микросхемы DW01-P и выполнены в виде отдельной микросхемы-сборки из 2 MOSFET транзисторов N-типа. Обычно используется сборка с маркировкой 8205, а корпус может быть как 6-ти выводной (SOT-23-6), так и 8-ми выводной (TSSOP-8). Сборка может маркироваться как TXY8205A, SSF8205, S8205A и т.д. Также можно встретить сборки с маркировкой 8814 и аналогичные.

Вот цоколёвка и состав микросхемы S8205A в корпусе TSSOP-8.

Два полевых транзистора используются для того, чтобы раздельно контролировать разряд и заряд ячейки аккумулятора. Для удобства их изготавливают в одном корпусе.

Тот транзистор (FET1), что подключен к выводу OD (Overdischarge) микросхемы DW01-P, контролирует разряд аккумулятора – подключает/отключает нагрузку. А тот (FET2), что подключен к выводу OC (Overcharge) – подключает/отключает источник питания (зарядное устройство). Таким образом, открывая или закрывая соответствующий транзистор, можно, например, отключать нагрузку (потребитель) или останавливать зарядку ячейки аккумулятора.

Давайте разберёмся в логике работы микросхемы управления и всей схемы защиты вцелом.

Защита от перезаряда (Overcharge Protection).

Как известно, перезаряд литиевого аккумулятора свыше 4,2 – 4,3V чреват перегревом и даже взрывом.

Если напряжение на ячейке достигнет 4,2 – 4,3V (Overcharge Protection Voltage — V_OCP), то микросхема управления закрывает транзистор FET2, тем самым препятствуя дальнейшему заряду аккумулятора. Аккумулятор будет отключен от источника питания до тех пор, пока напряжение на элементе не снизится ниже 4 – 4,1V (Overcharge Release Voltage – V_OCR) из-за саморазряда. Это только в том случае, если к аккумулятору не подключена нагрузка, например он вынут из сотового телефона.

Если же аккумулятор подключен к нагрузке, то транзистор FET2 вновь открывается, когда напряжение на ячейке упадёт ниже 4,2V.

Защита от переразряда (Overdischarge Protection).

Если напряжение на аккумуляторе падает ниже 2,3 – 2,5V (Overdischarge Protection Voltage — V_ODP), то контроллер выключает MOSFET-транзистор разряда FET1 – он подключен к выводу DO.

Далее микросхема управления DW01-P перейдёт в режим сна (Power Down) и потребляет ток всего 0,1 мкА. (при напряжении питания 2V).

Тут есть весьма интересное условие . Пока напряжение на ячейке аккумулятора не превысит 2,9 – 3,1V (Overdischarge Release Voltage — V_ODR), нагрузка будет полностью отключена. На клеммах контроллера будет 0V. Те, кто мало знаком с логикой работы защитной схемы могут принять такое положение дел за «смерть» аккумулятора. Вот лишь маленький пример.

Миниатюрный Li-polymer аккумулятор 3,7V от MP3-плеера. Состав: управляющий контроллер — G2NK (серия S-8261), сборка полевых транзисторов — KC3J1.

Аккумулятор разрядился ниже 2,5V. Схема контроля отключила его от нагрузки. На выходе контроллера 0V.

При этом если замерить напряжение на ячейке аккумулятора, то после отключения нагрузки оно чуть подросло и достигло уровня 2,7V.

Чтобы контроллер вновь подключил аккумулятор к «внешнему миру», то есть к нагрузке, напряжение на ячейке аккумулятора должно быть 2,9 – 3,1V (V_ODR).

Тут возникает весьма резонный вопрос.

По схеме видно, что выводы Стока (Drain) транзисторов FET1, FET2 соединены вместе и никуда не подключаются. Как же течёт ток по такой цепи, когда срабатывает защита от переразряда? Как нам снова подзарядить «банку» аккумулятора, чтобы контроллер опять включил транзистор разряда — FET1?

Дело в том, что внутри полевых транзисторов есть так называемые паразитные диоды – они являются результатом технологического процесса изготовления MOSFET-транзисторов. Вот именно через такой паразитный (внутренний) диод транзистора FET1 и будет течь ток заряда, так как он будет включен в прямом направлении.

Если порыться в даташитах на микросхемы защиты Li-ion/polymer (в том числе DW01-P, G2NK), то можно узнать, что после срабатывания защиты от глубокого разряда, действует схема обнаружения заряда — Charger Detection. То есть при подключении зарядного устройства схема определит, что зарядник подключен и разрешит процесс заряда.

Зарядка до уровня 3,1V после глубокого разряда литиевой ячейки может занять весьма длительное время — несколько часов.

Чтобы восстановить литий-ионный/полимерный аккумулятор можно использовать специальные приборы, например, универсальное зарядное устройство Turnigy Accucell 6. О том, как это сделать, я уже рассказывал здесь.

Именно этим методом мне удалось восстановить Li-polymer 3,7V аккумулятор от MP3-плеера. Зарядка от 2,7V до 4,2V заняла 554 минуты и 52 секунды, а это более 9 часов ! Вот столько может длиться «восстановительная» зарядка.

Кроме всего прочего, в функционал микросхем защиты литиевых акумуляторов входит защита от перегрузки по току (Overcurrent Protection) и короткого замыкания. Защита от токовой перегрузки срабатывает в случае резкого падения напряжения на определённую величину. После этого микросхема ограничивает ток нагрузки. При коротком замыкании (КЗ) в нагрузке контроллер полностью отключает её до тех пор, пока замыкание не будет устранено.

Источник

Плата защиты Li-ion вместо зарядного устройства?

На форумах частенько советуют использовать плату защиты от какого-либо литиевого аккумулятора (или, как ее еще называют, PCB-модуль) в качестве ограничителя заряда. То есть сделать зарядное устройство для литий-ионного аккумулятора из платы защиты.

Логика такова: по мере заряда напряжение на Li-ion аккумуляторе возрастает и как только оно достигнет определенного уровня, плата защиты сработает и прекратит зарядку.

Этот принцип, например, применен в схеме зарядки для фонарика, которая то и дело всплывает в интернетах:

На первый взгляд данное решение выглядит вполне логично, не так ли? Но если копнуть немного глубже, то оказывается минусов гораздо больше, чем плюсов.

Мы не будем заострять внимание на том, что в качестве источника зачем-то выбран 8-вольтовый блок питания. Уверен, это сделано для того, чтобы на R1 рассеивалось целых 10 Вт мощности. Резистор будет греть вашу квартиру долгими зимними вечерами.

Вместо этого присмотримся к значению порогового напряжения, при котором срабатывает защита от перезаряда. Элементом, задающим этот порог, является специализированная микросхема.

Первый минус

В платах защиты применяют микросхемы разных типов (подробнее об этом читайте в этой статье), наиболее распространенные из них представлены в таблице:

Микросхема	DW01-P	628-8241ABPM-G, 628-8242BACT, 628-8254AAJ-G	628-8244AAA-G	AAT8660A, AAT8660F	FS326E
Порог срабатывания защиты от перезаряда, В	4.250±0.05	4.350	4.45	4.325±0.050	4.30±0.04

Микросхема	AAT8660B, AAT8660G, SA57608Y, SA57608D	AAT8660C, AAT8660H, AAT8660I	AAT8660D, AAT8660E, AAT8660J	FS326A, FS326C	FS326B, R5421N112C, R5421N152F
Порог срабатывания защиты от перезаряда, В	4.350±0.050	4.300±0.050	4.280±0.050	4.325±0.025	4.350±0.025

Микросхема	FS326D	LV51140T, R5421N111C, R5421N151F	SA57608B, SA57608G	SA57608C	SA57608E
Порог срабатывания защиты от перезаряда, В	4.300±0.025	4.250±0.025	4.280±0.025	4.295±0.025	4.275±0.025

Нормальным значением, до которого заряжают литий-ионный аккумулятор является 4.2 Вольта. Однако, как можно видеть из таблицы, большинство микросхем заточены под несколько. эээ. завышенное напряжение.

Это объясняется тем, что платы защиты рассчитаны на срабатывание при возникновении аварийной ситуации для предотвращения закритических режимов работы аккумулятора. Таких ситуаций при нормальной эксплуатации батарей вообще быть не должно.

Редкие перезаряды литиевого аккумулятора до напряжения, например, 4.35В (микросхема SA57608D), наверное, не приведут к каким-либо фатальным последствиям, но это не означает, что так будет всегда. Кто знает, в какой момент это приведет к выделению металлического лития из гелевого электролита, ведущего к неизбежному замыканию электродов и выходу аккумулятора из строя?

Второй минус

Второй момент, на который обычно мало кто обращает внимание — это кривая заряда Li-ion аккумуляторов. Давайте освежим ее в памяти. На графике ниже показан классический профиль заряда CC/CV, что расшифровывается как Constant Current / Constant Voltage (постоянный ток/постоянное напряжение). Такой способ заряда уже стал стандартом и большинство нормальных зарядных устройств старается его обеспечивать.

Если внимательно посмотреть на график, то можно заметить, что при напряжении на аккумуляторе в 4.2В, он еще не набрал свою полную емкость.

В нашем примере, максимальная емкость аккумулятора равна 2.1А/ч. В тот момент, когда напряжение на нем станет равным 4.2 Вольта, он оказывается заряжен всего лишь до 1.82 А/ч, что составляет 87% от своей макс. емкости.

И именно в этот момент плата защиты сработает и прекратит зарядку.

Даже если ваша плата сработывает при 4.35V (предположим, она собрана на микросхеме 628-8242BACT), это не изменит ситуацию коренным образом. Из-за того, что ближе к окончанию зарядки напряжение на аккумуляторе начинает возрастать очень быстро, разница в набранной емкости при 4.2В и 4.35В едва ли составит более нескольких процентов. А при использовании такой платы вы еще и сокращаете срок службы аккумулятора.

Выводы

Итак, резюмируя все вышесказанное, можно смело утверждать, что применять платы защиты (PCM-модули) вместо зарядки для литиевых аккумуляторов крайне нежелательно.

Во-первых, это приводит к постоянному превышению пределельно допустимого напряжения на аккумуляторе и, соответственно, снижению срока его службы.

Во-вторых, из-за особенностей процесса зарядки li-ion, применение платы защиты в качестве контроллера заряда не позволит использовать полную емкость литий-ионного аккумулятора. Заплатив за аккумуляторы емкостью 3400 мА/ч, вы сможете использовать не более 2950 мА/ч.

Для полноценной и безопасной зарядки литиевых аккумуляторов лучше всего применять специализированные микросхемы. Наиболее популярной на сегодняшний день является TP4056. Но с этой микросхемой нужно быть осторожным, она не имеет защиты от ~~дурака~~ переполюсовки.

Пользуйтесь литиевыми аккумуляторами правильно, не нарушайте рекомендованные производителем режимы заряда и они выдержат не менее 800 циклов заряд/разряд.

Помните, что даже при самой идеальной эксплуатации, литий-ионные аккумуляторы подвержены деградации (необратимой потери емкости). Также они имеют довольно большой саморазряд, равный примерно 10% в месяц.

Источник