Содержание
Для начала нужно определиться с терминологией.
Как таковых контроллеров разряда-заряда не существует. Это нонсенс. Нет никакого смысла управлять разрядом. Ток разряда зависит от нагрузки – сколько ей надо, столько она и возьмет. Единственное, что нужно делать при разряде – это следить за напряжением на аккумуляторе, чтобы не допустить его переразряда. Для этого применяют защиту от глубокого разряда.
При этом, отдельно контроллеры заряда не только существуют, но и совершенно необходимы для осуществления процесса зарядки li-ion аккумуляторов. Именно они задают нужный ток, определяют момент окончания заряда, следят за температурой и т.п. Контроллер заряда является неотъемлемой частью любого зарядного устройства для литиевого аккумулятора.
Другими словами, когда говорят о контроллере заряда/разряда, речь идет о встроенной почти во все литий-ионные аккумуляторы защите (PCB- или PCM-модулях). Вот она:
И вот тоже они:
Очевидно, что платы защиты представлены в различных форм-факторах и собраны с применением различных электронных компонентов. В этой статье мы как раз и рассмотрим варианты схем защиты Li-ion аккумуляторов (или, если хотите, контроллеров разряда/заряда).
Контроллеры заряда-разряда
Раз уж это название так хорошо укрепилось в обществе, мы тоже будем его использовать. Начнем, пожалуй, с наиболее распространенного варианта на микросхеме DW01 (Plus).
DW01-Plus
Такая защитная плата для аккумуляторов li-ion встречается в каждом втором аккумуляторе от мобильника. Чтобы до нее добраться, достаточно просто оторвать самоклейку с надписями, которой обклеен аккумулятор.
Сама микросхема DW01 – шестиногая, а два полевых транзистора конструктивно выполнены в одном корпусе в виде 8-ногой сборки.
Вывод 1 и 3 – это управление ключами защиты от разряда (FET1) и перезаряда (FET2) соответственно. Пороговые напряжения: 2.4 и 4.25 Вольта. Вывод 2 – датчик, измеряющий падение напряжения на полевых транзисторах, благодаря чему реализована защита от перегрузки по току. Переходное сопротивление транзисторов выступает в роли измерительного шунта, поэтому порог срабатывания имеет очень большой разброс от изделия к изделию.
Паразитные диоды, встроенные в полевики, позволяют осуществлять заряд аккумулятора, даже если сработала защита от глубокого разряда. И, наоборот, через них идет ток разряда, даже в случае закрытого при перезаряде транзистора FET2.
Вся схема выглядит примерно вот так:
Правая микросхема с маркировкой 8205А – это и есть полевые транзисторы, выполняющие в схеме роль ключей.
S-8241 Series
Фирма SEIKO разработала специализированные микросхемы для защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов от переразряда/перезаряда. Для защиты одной банки применяются интегральные схемы серии S-8241.
Ключи защиты от переразряда и перезаряда срабатывают соответственно при 2.3В и 4.35В. Защита по току включается при падении напряжения на FET1-FET2 равном 200 мВ.
AAT8660 Series
Решение от Advanced Analog Technology – AAT8660 Series.
Пороговые напряжения составляют 2.5 и 4.32 Вольта. Потребление в заблокированном состоянии не превышает 100 нА. Микросхема выпускается в корпусе SOT26 (3х2 мм, 6 выводов).
FS326 Series
Очередная микросхема, используемая в платах защиты одной банки литий-ионного и полимерного аккумулятора – FS326.
В зависимости от буквенного индекса напряжение включения защиты от переразряда составляет от 2.3 до 2.5 Вольт. А верхнее пороговое напряжение, соответственно, – от 4.3 до 4.35В. Подробности смотрите в даташите.
LV51140T
Аналогичная схема протекции литиевых однобаночных аккумуляторов с защитой от переразряда, перезаряда, превышения токов заряда и разряда. Реализована с применением микросхемы LV51140T.
Пороговые напряжения: 2.5 и 4.25 Вольта. Вторая ножка микросхемы – вход детектора перегрузки по току (предельные значения: 0.2В при разряде и -0.7В при зарядке). Вывод 4 не задействован.
R5421N Series
Схемотехническое решение аналогично предыдущим. В рабочем режиме микросхема потребляет около 3 мкА, в режиме блокировки – порядка 0.3 мкА (буква С в обозначении) и 1 мкА (буква F в обозначении).
Серия R5421N содержит несколько модификаций, отличающихся величиной напряжения срабатывания при перезарядке. Подробности приведены в таблице:
| Обозначение | Порог отключения по перезаряду, В | Гистерезис порога перезаряда, мВ | Порог отключения по переразряду, В | Порог включения перегрузки по току, мВ |
|---|---|---|---|---|
| R5421N111C | 4.250±0.025 | 200 | 2.50±0.013 | 200±30 |
| R5421N112C | 4.350±0.025 | |||
| R5421N151F | 4.250±0.025 | |||
| R5421N152F | 4.350±0.025 |
SA57608
Очередной вариант контроллера заряда/разряда, только уже на микросхеме SA57608.
Напряжения, при которых микросхема отключает банку от внешних цепей, зависят от буквенного индекса. Подробности см. в таблице:
| Обозначение | Порог отключения по перезаряду, В | Гистерезис порога перезаряда, мВ | Порог отключения по переразряду, В | Порог включения перегрузки по току, мВ |
|---|---|---|---|---|
| SA57608Y | 4.350±0.050 | 180 | 2.30±0.070 | 150±30 |
| SA57608B | 4.280±0.025 | 180 | 2.30±0.058 | 75±30 |
| SA57608C | 4.295±0.025 | 150 | 2.30±0.058 | 200±30 |
| SA57608D | 4.350±0.050 | 180 | 2.30±0.070 | 200±30 |
| SA57608E | 4.275±0.025 | 200 | 2.30±0.058 | 100±30 |
| SA57608G | 4.280±0.025 | 200 | 2.30±0.058 | 100±30 |
SA57608 потребляет достаточно большой ток в спящем режиме – порядка 300 мкА, что отличает ее от вышеперечисленных аналогов в худшую сторону (там потребляемые токи порядка долей микроампера).
LC05111CMT
Ну и напоследок предлагаем интересное решение от одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов On Semiconductor – контроллер заряда-разряда на микросхеме LC05111CMT.
Решение интересно тем, что ключевые MOSFET’ы встроены в саму микросхему, поэтому из навесных элементов остались только пару резисторов да один конденсатор.
Переходное сопротивление встроенных транзисторов составляет
11 миллиом (0.011 Ом). Максимальный ток заряда/разряда – 10А. Максимальное напряжение между выводами S1 и S2 – 24 Вольта (это важно при объединении аккумуляторов в батареи).
Микросхема выпускается в корпусе WDFN6 2.6×4.0, 0.65P, Dual Flag.
Схема, как и ожидалось, обеспечивает защиту от перезаряда/разряда, от превышения тока в нагрузке и от чрезмерного зарядного тока.
Контроллеры заряда и схемы защиты – в чем разница?
Важно понимать, что модуль защиты и контроллеры заряда – это не одно и то же. Да, их функции в некоторой степени пересекаются, но называть встроенный в аккумулятор модуль защиты контроллером заряда было бы ошибкой. Сейчас поясню в чем разница.
Важнейшая роль любого контроллера заряда заключается в реализации правильного профиля заряда (как правило, это CC/CV – постоянный ток/постоянное напряжение). То есть контроллер заряда должен уметь ограничивать ток зарядки на заданном уровне, тем самым контролируя количество "заливаемой" в батарею энергии в единицу времени. Избыток энергии выделяется в виде тепла, поэтому любой контроллер заряда в процессе работы достаточно сильно разогревается.
По этой причине контроллеры заряда никогда не встраивают в аккумулятор (в отличие от плат защиты). Контроллеры просто являются частью правильного зарядного устройства и не более.
Кроме того, ни одна плата защиты (или модуль защиты, называйте как хотите) не способен ограничивать ток заряда. Плата всего лишь контролирует напряжение на самой банке и в случае выхода его за заранее установленные пределы, размыкает выходные ключи, отключая тем самым банку от внешнего мира. Кстати, защита от КЗ тоже работает по такому же принципу – при коротком замыкании напряжение на банке резко просаживается и срабатывает схема защиты от глубокого разряда.
Путаница между схемами защиты литиевых аккумуляторов и контроллеров заряда возникла из-за схожести порога срабатывания (
4.2В). Только в случае с модулем защиты происходит полное отключение банки от внешних клемм, а в случае с контроллером заряда происходит переключение в режим стабилизации напряжения и постепенного снижения зарядного тока.
Как работает контроллер питания в современных телефонах?
В современных литий-ионных аккумуляторах установлен контроллер заряда — устройство, которое следит за текущим напряжением. Оно нужно, чтобы из-за поступления большого напряжения смартфон не вышел из строя или не сгорела батарея.
Процесс зарядки смартфона состоит из нескольких этапов.
- Если текущий заряд равен 0%, при подключении телефона к сети начинается первый этап — предварительная зарядка. Когда аккумулятор достигает значения заряда около 5-10%, начинается второй этап.
- Здесь подключается контроллер — он подает постоянный ток. Со временем напряжение увеличивается, вместе с этим повышается скорость зарядки. Когда заряд батареи достигает 80-85%, контроллер снижает напряжение.
- Начинается последний, третий этап — медленная зарядка, также известный как режим дозарядки.
Контроллер питания снижает напряжение, чтобы снизить нагрузку на аккумулятор телефона. Когда достигается низкое значения напряжения (обычно 1,5-2 Вольт), контроллер отключает MOSFET-транзистор, который отвечает за подачу тока в гаджет. Устройство переходит в режим сна, потребление энергии снижается. Благодаря этому смартфон не перегревается, даже если оставить его заряжаться на всю ночь.
Если подключить некачественное зарядное устройство к гаджету, контроллер начнет проверку. Его задача — установить предельные значения для основных параметров ЗУ: напряжение, ток заряда, входной ток. Для контроллера важно, чтобы зарядное устройство не повредило батарею. Благодаря этому снижается износ аккумулятора.
Еще одно назначение контроллера — отключение мобильного устройства. Когда аккумулятор разряжается практически полностью, смартфон отключается. Это снижает процесс износа батареи, благодаря чему увеличивается срок эксплуатации гаджета.
Внутри аккумулятора или батареи таких располагаются контроллер, два полевых транзистора для отсечки по перезаряду выше 4,2 В и отсечки при разряде менее 2,5 В, иногда и термопредохранитель на 85°С (перед взрывом они греются, почему и взрываются — вместе с телефоном) .
Контроллер так управляет процессом зарядки: 50% емкости набирается максимальным неизменным током, который записан в память контроллера. Если зарядка не способна дать такой ток — то тем, что может. Обычно это 1 час.
Затем начинается заряд с уменьшением тока. И здесь добавляют еще 50% емкости. Длительность этого процесса зависит от температуры (первая фаза не зависит: 50% аккумулятор принимает гарантированно без повышения температуры) и составляет 2…3 часа.
Можно зарядку производить вручную: подать на крайние выводы вольт не менее 5, можно больше, защита не даст взорваться, возьмет ровно такой ток, что ей предписан. Через час аккумулятор сам отсоединится от такого источника и получит всего 50% заряда. Вот вторую половину такая самоделка не обеспечит, защита не даст. А вот рассчитанная на плавное снижение тока зарядка — даст.
