Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №11

Решения компании Maxim Integrated для работы с Li+ аккумуляторами

Беляев Сергей  
Рыкованов Алексей  

Li-ion аккумуляторы являются неотъемлемой частью портативных приборов и устройств. Их широко используют уже второе десятилетие. Это обусловлено не только высокими потребительскими качествами (минимальный вес и объем при максимально запасаемой энергии), но и удобством использования. Компания Maxim Integrated предлагает множество решений для заряда и контроля Li-ion аккумуляторов.

Li-ion аккумуляторы обладают самыми высокими удельными характеристиками (Вт·ч/кг, Вт·ч/дм3) из аналогичных, массово выпускаемых устройств. Они имеют такие важные потребительские свойства, как герметичность (при работе не происходит газовыделения, а также протекания электролита) и большое количество циклов заряд/разряд. Число циклов обычно составляет более 1000 при глубине цикла заряда/разряда в 100%. Если глубина цикла составляет менее 30–50% от емкости Сн, то количество таких циклов возрастает и может доходить до 3000–5000 и более. Поэтому они все чаще располагаются внутри приборов и устройств и служат пожизненно. Большое количество и разнообразие габаритных размеров и емкостных номиналов делает их применение в портативных устройствах практически безальтернативным. Например, гель-полимерный аккумулятор толщиной 5 мм и емкостью 5 А·ч (примерные габариты — 120×120 мм) легко разместить вдоль широкой стенки прибора, не отводя ему отдельный бокс или отсек, а просто приклеив его раз и навсегда под основной платой устройства.

Однако достичь таких высоких показателей можно только при правильной эксплуатации Li-ion аккумуляторов. Одним из самых важных моментов здесь является заряд аккумулятора. Перезаряд, в крайнем случае, влечет за собой разгерметизацию и вытекание электролита, но чтобы довести устройство до этого, нужно еще постараться. Самое существенное, что даже небольшой перезаряд влечет за собой снижение количества циклов заряд/разряд и падение отдаваемой емкости вследствие деградации электродных масс.

Классический заряд Li-ion аккумулятора делится на два этапа. Первый — заряд постоянным током до определенного напряжения, второй — заряд при постоянном напряжении, то есть заряд падающим током. Заряд при этом длится до падения тока 0,1–0,05 Сн (от емкости аккумулятора Сн), после чего прекращается. Иногда первый этап (заряд постоянным током) делят еще на две части. В первой части постоянный ток заряда составляет около 0,1 Сн, а спустя некоторое время или при достижении определенного напряжения на аккумуляторе (например, свыше 2,5 В) включают основной ток заряда 0,2–0,5 Сн (вторая и основная часть первого этапа).

Понятно, что для организации такой последовательности заряда необходимо управляемое зарядное устройство и алгоритм управления, заложенный, например, в микроконтроллер устройства, что несомненно добавит забот как разработчику схемотехники, так и программисту. Компания Maxim Integrated [1] предлагает ряд решений, упрощающих задачу при проектировании систем питания, в состав которых входят Li-ion аккумуляторы.

Среди самых популярных решений — применение одного-единственного Li-ion аккумулятора внутри прибора или переносного приложения. Выгода становится очевидной при планировании и организации производства конечного устройства. Так, аккумуляторы в батарею (последовательно соединенную цепочку) необходимо подбирать по емкости (на специальном оборудовании), они должны быть сбалансированы с системой обеспечения функционирования [24], иметь конструктив или крепление и т. д., и т. п. При наличии одного аккумулятора все эти сложности отпадают сами собой, тем более что сейчас имеется достаточно средств для организации питания устройств от напряжения в диапазоне 2,5–4,2 В и преобразования его практически в любое необходимое. Речь далее пойдет о заряде кобальтатных Li+ аккумуляторов — наиболее часто применяемых в подобных случаях.

Простую схему организации заряда одного аккумулятора можно осуществить на микросхеме МАХ1811, показанной на рис. 1. Она имеет минимум внешних элементов и предоставляет все необходимое для правильной организации заряда Li-ion аккумулятора.

Схема включения МАХ1811

Рис. 1. Схема включения МАХ1811

Заряд можно осуществлять от USB-порта или 5-В адаптера. Микросхема выпускается в корпусе SOIC и может использоваться даже неподготовленным любителем для организации заряда аккумулятора, например светодиодного фонаря. Помимо входа/выхода и общего вывода есть несколько сервисных управляющих выводов. Рассмотрим их подробнее, так как такие же опции встречаются и у более сложных микросхем этого класса.

SELV — установка конечного напряжения заряда. Значение этого напряжения необходимо уточнить у производителя аккумулятора, но обычно тенденция такова: для работы в буферном режиме (источник бесперебойного питания), когда основное питание устройства осуществляется от внешнего источника, а аккумулятор используется только при его пропадании, выбирают значение 4,1 В. Для заряда железо-фосфатных аккумуляторов также лучше выбрать меньшее напряжение.

EN — выбор микросхемы, включение в работу, если используется не один источник заряда. Этот выход необходим еще и для отключения заряда, если зарядное устройство подключено к аккумулятору на длительное время. Это связано с тем, что полностью заряженный аккумулятор не рекомендуется длительно держать при конечном напряжении (особенно это касается железо-фосфатных аккумуляторов). Этот выход обычно используется, если в устройстве имеется микроконтроллер, следящий за состоянием аккумулятора и управляющий этим выходом.

SELI — выбор зарядного тока, применяется не только для установки тока заряда для аккумуляторов различной емкости. (Зарядный ток аккумулятора обычно выбирают в пределах 0,2–0,5 Сн от емкости аккумулятора. Значение следует уточнить у производителя.) Заряд малым током необходимо применять, если температура аккумулятора менее +5…10 °C. Первоначально температуру можно определить по внутреннему датчику, имеющемуся почти в каждом микроконтроллере, и управлять током в зависимости от температуры необходимо самостоятельно. Иногда этот режим заряда опускают и заряжают установленным током всегда, вне зависимости от температуры. Это несущественно снижает количество циклов заряд/разряд аккумулятора, но зато значительно упрощает алгоритм заряда.

Инверсный выход CHG используется для индикации и оповещения логики устройства (микроконтроллера) о состояния заряда.

Данная микросхема отслеживает только напряжение на аккумуляторе, и если в момент включения в заряд оно будет ниже 2,5 В, то ток заряда, вне зависимости от установленного на SELI значения, будет составлять примерно 50 мА. При увеличении напряжения свыше 2,5 В ток будет соответствовать установленному значению на входе SELI.  Такой алгоритм обеспечивает правильный заряд Li-ion аккумулятора в соответствии с международными стандартами и рекомендациями.

Среди решений фирмы Maxim Integrated, представленных на рынке, можно выделить группу устройств, функционирование которых осуществляется в соответствии с рекомендациями JEITA (Japan Electronics and Information Technology Industries Association) [5]. Эти рекомендации, изданные JEITA совместно с BAJ (Battery Association of Japan), содержат указания по разработке батарейных систем на основе вторичных Li-ion аккумуляторов емкостью до 5000 мА·ч, а также по тестированию таких систем на соответствие требованиям безопасности при эксплуатации. Микросхемы, работающие согласно этим рекомендациям, способны автоматически корректировать режим заряда аккумулятора, удерживая его параметры от выхода за рамки допустимых значений.

Фирма Maxim Integrated предлагает несколько вариантов микросхем, предназначенных для контроля заряда одного Li-ion аккумулятора и работающих в соответствии с рекомендациями JEITA. Представлены микросхемы, работающие как по принципу линейного (MAX8934x), так и по принципу импульсного (MAX8900x, MAX8971) преобразования напряжения.

Рассмотрим семейство MAX8934x, использующее линейное преобразование напряжения. Если предыдущую микросхему можно использовать и для заряда железо-фосфатных Li-ion аккумуляторов, то микросхемы семейства MAX8934x рассчитаны на работу с кобальтатными (материал положительного электрода — литированный оксид кобальта) Li-ion аккумуляторами [6]. Кобальтатные аккумуляторы, в сравнении с другими Li-ion аккумуляторами, имеют высокие удельные характеристики и традиционно применяются в таких переносных приложениях, как сотовые телефоны, КПК и т. д. Микросхемы MAX8934x заряжают аккумулятор до конечного напряжения 4,2 В, что предоставляет множество возможностей для мониторинга и управления процессом заряда, и практически полностью закрывают все потребности в обеспечении питания от одного аккумулятора. Структурная схема MAX8934x представлена на рис. 2.

Микросхема МАХ8934х контроля заряда Li-ion аккумулятора

Рис. 2. Микросхема МАХ8934х контроля заряда Li-ion аккумулятора от двух источников

Одной из особенностей этих микросхем является дифференцированный вход источника питающего тока, что позволяет реализовать в устройстве возможность заряда и от AC-адаптера (вход DC), и от шины USB (вход USB). При подключении обоих источников питание от USB не используется, активным остается только вход DC. Диапазон рабочего входного напряжения — от 4,1 до 6,6 В для любого из источников. В случае превышения на одном из входов верхнего порога входного напряжения 6,9 В срабатывает защита от перенапряжения, отключающая этот вход. Если же напряжение на входе окажется ниже предела в 4 В, то вход также отключается. Группа входов PEN1, PEN2, PSET и ISET позволяет осуществлять гибкую настройку ограничения входного тока и тока заряда для входов DC и USB. Входной ток на выводе DC может достигать 2 A, а на выводе USB — 500 мА (1500 мА для MAX8934D от USB 3.0). Ток заряда не превышает значения входного тока активного источника и ограничен общим пределом 1500 мА. С помощью входа USUS можно приостановить питание от вывода USB.

Еще одной особенностью этого семейства микросхем является наличие раздельных выходов для питания нагрузки (SYS) и заряда/разряда аккумулятора (BATT). Энергия, поступающая от внешних источников, распределяется микросхемой между этими выходами. Если заряжать аккумулятор нет необходимости, а ток, потребляемый нагрузкой, невелик, то вся энергия направляется на питание нагрузки. При этом на выводе SYS поддерживается напряжение 4,35 В (5,3 В для MAX8934A). Если напряжение на входе падает ниже этого уровня, то напряжение вывода SYS поддерживается равным ему. Если же требуется подзарядка, микросхема направляет незадействованную часть ресурса активного питающего входа на заряд аккумулятора. Кроме того, в момент пикового потребления тока нагрузкой, когда энергии питающего входа не хватает, микросхема снижает напряжение на выходе SYS до напряжения на аккумуляторе и соединяет его с выводом BATT. Таким образом, аккумулятор передает нагрузке недостающую часть энергии.

Заряд аккумулятора микросхема осуществляет в несколько этапов. При подключении внешнего источника питания происходит проверка напряжения на аккумуляторе. Если полученное значение не превышает 3 В, то заряд осуществляется начальным током, величина которого составляет 10% от значения зарядного тока, сконфигурированного входами PEN1, PEN2 и ISET. Эта мера предотвращает повреждение глубоко разряженного аккумулятора большим зарядным током. В момент, когда напряжение на аккумуляторе достигнет 3 В, ток заряда возрастает до установленного значения. Как только напряжение аккумулятора достигнет 4,2 В, начинается этап заряда падающим током. На этом этапе микросхема будет поддерживать на аккумуляторе напряжение в 4,2 В, постепенно снижая ток заряда (фаза падающего тока) до значения, составляющего 10% от установленного. Когда это произойдет, микросхема включит внутренний таймер времени, на протяжении которого будет поддерживаться достигнутое значение тока. Длительность заряда, которая отводится таймером при достижении падающего тока 10% от установленного, составляет 15 с для MAX8934A/C/E и 60 мин. для MAX8934B/D. После этого заряд аккумулятора полностью прекращается. Если по завершении процесса заряда внешний источник не будет отключен, то нагрузка будет получать питание от него, а энергия аккумулятора расходоваться не будет. Тем не менее, если напряжение на аккумуляторе снизится на величину порядка 100 мВ, микросхема снова приступит к заряду аккумулятора. Процесс заряда может быть приостановлен в любой момент установкой низкого логического уровня на выводе CEN.

Такой разброс времени задержки перед отключением от заряда (15 с/60 мин.) связан с различными сферами применения микросхемы. Так, если MAX8934х использовать для заряда аккумулятора как источника бесперебойного питания (то есть основное питание устройства ведется от внешнего источника, а аккумулятор используется только как резерв при пропадании основного питания), то необходима задержка в 60 мин. После продленной фазы заряда падающим током напряжение на аккумуляторе упадет незначительно (на 50–80 мВ), и следующее включение в заряд будет осуществлено только после некоторого времени (при падении напряжения на 100 мВ). При использовании аккумулятора как основного источника питания устройства нет необходимости ждать час до окончания заряда. Ведь в течение этого времени аккумулятор наберет всего несколько процентов (не более 1–5%) энергии, и при падении тока ниже 10% от установленного можно сразу отключать устройство от заряда, оповестив об этом потребителя.

Микросхемы MAX8934x оснащены входом для подключения внешнего термистора THM. Благодаря этому производится контроль температуры заряжаемого аккумулятора. Процесс заряда останавливается, если температура выходит за пределы диапазона 0…+60 °C. Кроме того, при приближении к границам этого промежутка микросхемы, в зависимости от модели, либо снижают зарядный ток вдвое, либо уменьшают конечное зарядное напряжение на аккумуляторе до 4,075 В в соответствии с рекомендациями JEITA.

Помимо температуры аккумулятора микросхема контролирует и собственную температуру. При превышении значения +100 °C управляющая схема понижает ограничение входного тока на активном питающем входе на 5%/°C (при этом питание нагрузки имеет приоритет над зарядом аккумулятора). Если температура корпуса микросхемы превысит +120 °C, управляющая схема отключит питание от внешних источников и начнет питать нагрузку от аккумулятора.

Отдельно стоит отметить наличие у микросхем MAX8934x вывода LDO. Этот вывод является выходом встроенного источника питания, напряжение которого поддерживается на уровне 3,3 В. Этот источник всегда активен, когда активна микросхема, так как от него осуществляется питание ее внутренних цепей. Вывод LDO предназначен для питания некоторой маломощной внешней нагрузки, например микроконтроллера. Максимальное рабочее значение тока на выводе LDO составляет 30 мА. Вывод VL используется для подключения фильтрующего конденсатора для лучшей стабилизации напряжения на внутреннем источнике и, так же как и вывод LDO, способен питать внешнюю нагрузку, однако ток на нем не должен превышать 5 мА.

Как уже упоминалось, микросхемы MAX8934x предоставляют большие возможности мониторинга процесса заряда аккумулятора. Для этого предусмотрен набор информационных выводов, которые могут быть использованы как для подключения индикационных светодиодов, так и для связи с микроконтроллером. Выводы DOK и UOK переходят в состояние логического нуля, если присутствует питание от внешнего источника на входах DC и USB соответственно. Логический нуль на выводе CHG находится все время, пока микросхема заряжает аккумулятор зарядным током установленного значения или пониженным током до достижения напряжения на аккумуляторе значения 3 В. Вывод DONE информирует об окончании процесса заряда, а вывод OT — о превышении температурой аккумулятора значения +75 °C.

Для контроля длительности заряда в микросхемах MAX8934x есть таймер. Для отключения таймера необходимо подключить вывод CT к GND, в противном случае к нему следует подключить внешний конденсатор для цепи тактирования таймера. Вывод FLT переходит в состояние логического нуля, если длительность этапа начального заряда пониженным током или этапа заряда установленным током превысит 30 или 300 мин. соответственно. (Эти пределы можно изменить подбором тактирующего конденсатора.) По окончании установленного в этом таймере времени и установки вывода FLT в «лог. 0», заряд необходимо прекратить, заряжен аккумулятор до конца или нет. Такая функция позволяет избежать разогрева короткозамкнутого внутри аккумулятора и расплавления, например, корпуса устройства или его разгерметизации (вздутие гель-полимерного аккумулятора с растрескиванием корпуса устройства) при неконтролируемом времени заряда. Это дополнительная функция защиты помимо измерения температуры и защиты при ее превышении.

Вывод ISET, предназначенный для установки ограничения зарядного тока, можно также использовать для мониторинга текущего тока заряда. Напряжение на этом выводе прямо пропорционально значению зарядного тока в текущий момент времени. Эта функция иногда бывает очень полезна, так как микросхема автоматически корректирует зарядный ток, адаптируясь к конкретной ситуации, и состояние зарядного тока можно считывать микроконтроллером устройства с помощью АЦП.

Из максимального тока заряда необходимо исходить при расчете емкости аккумулятора, устанавливаемого в устройство. Время заряда приложений, особенно портативных, обычно не превышает 3–5 ч для удобства пользования, иначе устройство будет терять такое качество, как портативность, и будет привязано к розетке или USB-порту другого устройства. Для приборов, которые используются относительно редко (например, одно-три измерения в течение недели), время заряда можно увеличить до 6–8 ч (рабочая смена). Исходя из этого, емкость аккумулятора при токе заряда 500 мА будет составлять 1,5–2,5 А·ч.

Рассмотренные микросхемы имеют линейные регуляторы для организации заряда, поэтому у них ограничен диапазон входных напряжений. Снизить мощность, рассеиваемую в тепло, можно с помощью импульсных преобразователей. Микросхема MAX8900х имеет для этого все на своем борту, внешне подключается только катушка индуктивности (рис. 3).

Микросхема MAX8900х контроля заряда Li-ion аккумулятора с внешней индуктивностью

Рис. 3. Микросхема MAX8900х контроля заряда Li-ion аккумулятора с внешней индуктивностью

Выводы установок и управления у MAX8900х аналогичны по использованию с ранее описанными микросхемами, а сама микросхема имеет более широкое входное питающее напряжение. Для более «продвинутых» приложений и применений можно использовать микросхему MAX8971, она имеет I2C-шину, а большинство параметров можно устанавливать и/или считывать с помощью этого последовательного интерфейса.

Следует отметить, что компания Maxim Integrated предлагает отладочные платы, на которых уже собраны рассмотренные нами схемы, чтобы потребитель, не тратя времени, мог попробовать то или иное решение в деле, перед разводкой платы своего устройства.

Вывод

Применение одного Li+ аккумулятора — одно из часто встречаемых решений для организации питания всевозможных портативных устройств и приборов. Компания Maxim Integrated предоставляет разработчикам все необходимое для размещения Li+ аккумулятора и организации его заряда в своих устройствах.

Литература

  1. http://www.maximintegrated.com
  2. Румянцев А. М., Рыкованов А. С. Способы заряда Li-ion аккумуляторов и батарей на их основе // Компоненты и технологии. 2012. № 11.
  3. Рыкованов А. С. Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей // Силовая электроника. 2009. № 1.
  4. Рыкованов А. С. Элементная база систем обеспечения функционирования Li-ion аккумуляторных батарей // Компоненты и технологии. 2012. № 8.
  5. A Guide to the Safe Use of Secondary Lithium Ion Batteries in Notebook-type Personal Computers. JEITA, 2007.
  6. Рыкованов А. С. Способы балансирования портативных железо-фосфатных Li-ion аккумуляторных батарей // Компоненты и технологии. 2012. № 10.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке