Схеми контролерів заряду-розряду Li-ion акумуляторів і мікросхеми модулів захисту літієвих батарей

1. Контролери заряду-розряду
2. DW01-Plus
3. S-8241 Series
4. AAT8660 Series
5. FS326 Series
6. LV51140T
7. R5421N Series
8. SA57608
9. LC05111CMT
10. Контролери заряду і схеми захисту - в чому різниця?

Зміст статті:

Для початку потрібно визначитися з термінологією.

Як таких контролерів розряду-заряду не існує. Це нонсенс. Немає ніякого сенсу управляти розрядом. Струм розряду залежить від навантаження - скільки їй треба, стільки вона і візьме. Єдине, що потрібно робити при розряді - це стежити за напругою на акумуляторі, щоб не допустити його переразряда. Для цього застосовують захист від глибокого розряду .

При цьому, окремо контролери заряду не тільки існують, але і абсолютно необхідні для здійснення процесу зарядки li-ion акумуляторів. Саме вони задають потрібний струм, визначають момент закінчення заряду, стежать за температурою і т.п. Контролер заряду є невід'ємною частиною будь-якого зарядного пристрою для літієвий акумулятор .

Виходячи зі свого досвіду можу сказати, що під контролером заряду / розряду насправді розуміють схему захисту акумулятора від занадто глибокого розряду і, навпаки, перезарядження.

Іншими словами, коли говорять про контроллер заряду / розряду, мова йде про вбудованої майже в усі літій-іонні акумулятори захисту (PCB- або PCM-модулях). Ось вона:

І ось теж вони:

Очевидно, що плати захисту представлені в різних форм-факторах і зібрані із застосуванням різних електронних компонентів. У цій статті ми якраз і розглянемо варіанти схем захисту Li-ion акумуляторів (або, якщо хочете, контролерів розряду / заряду).

Контролери заряду-розряду

Раз вже це назва так добре зміцнилося в суспільстві, ми теж будемо його використовувати. Почнемо, мабуть, з найбільш поширеного варіанту на мікросхемі DW01 (Plus).

DW01-Plus

Така захисна плата для акумуляторів li-ion зустрічається в кожному другому акумуляторі від мобільника. Щоб до неї дістатися, достатньо просто відірвати самоклейку з написами, якій обклеєний акумулятор.

Сама мікросхема DW01 - шестинога, а два польових транзистора конструктивно виконані в одному корпусі у вигляді 8-ногою збірки.

Висновок 1 і 3 - це управління ключами захисту від розряду (FET1) і перезарядження (FET2) відповідно. Порогові напруги: 2.4 і 4.25 Вольта. Висновок 2 - датчик, що вимірює падіння напруги на польових транзисторах, завдяки чому реалізований захист від перевантаження по струму. Перехідний опір транзисторів виступає в ролі вимірювального шунта, тому поріг спрацьовування має дуже великий розкид від виробу до виробу.

Паразитні діоди, вбудовані в польовики, дозволяють здійснювати заряд акумулятора, навіть якщо спрацював захист від глибокого розряду. І, навпаки, через них йде струм розряду, навіть у разі закритого при перезаряді транзистора FET2.

Вся схема виглядає приблизно ось так:

Права мікросхема з маркуванням 8205А - це і є польові транзистори, які виконують в схемі роль ключів.

S-8241 Series

Фірма SEIKO розробила спеціалізовані мікросхеми для захисту літій-іонних і літій-полімерних акумуляторів від переразряда / перезарядження. Для захисту однієї банки застосовуються інтегральні схеми серії S-8241 .

Ключі захисту від переразряда і перезарядження спрацьовують відповідно при 2.3В і 4.35В. Захист по струму включається при падінні напруги на FET1-FET2 дорівнює 200 мВ.

AAT8660 Series

Рішення від Advanced Analog Technology - AAT8660 Series .

Порогові напруги складають 2.5 і 4.32 Вольта. Споживання в заблокованому стані не перевищує 100 нА. Мікросхема випускається в корпусі SOT26 (3х2 мм, 6 висновків).

FS326 Series

Чергова мікросхема, яка використовується в платах захисту однієї банки літій-іонного і полімерного акумулятора - FS326.

Залежно від літерного індексу напруження включення захисту від переразряда становить від 2.3 до 2.5 Вольт. А верхнє граничне напруга, відповідно, - від 4.3 до 4.35В. Подробиці дивіться в даташіте .

LV51140T

Аналогічна схема протекції літієвих однобаночна акумуляторів із захистом від переразряда, перезарядження, перевищення струмів заряду і розряду. Реалізована із застосуванням мікросхеми LV51140T .

Порогові напруги: 2.5 і 4.25 Вольта. Друга ніжка мікросхеми - вхід детектора перевантаження по струму (граничні значення: 0.2В при розряді і -0.7В при зарядці). Висновок 4 не задіяне.

R5421N Series

Схемотехнічне рішення аналогічно попереднім. У робочому режимі мікросхема споживає близько 3 мкА, в режимі блокування - близько 0.3 мкА (буква С в позначенні) і 1 мкА (буква F в позначенні).

серія R5421N містить кілька модифікацій, що відрізняються величиною напруги спрацьовування при перезарядці. Подробиці наведені в таблиці:

Позначення Поріг відключення по перезаряду, В Гистерезис порога перезарядження, мВ Поріг відключення по перерозряду, В Поріг включення перевантаження по струму, 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

Ще один варіант контролера заряду / розряду, тільки вже на мікросхемі SA57608 .

Напруги, при яких мікросхема відключає банку від зовнішніх ланцюгів, залежать від літерного індексу. Подробиці див. У таблиці:

Позначення Поріг відключення по перезаряду, В Гистерезис порога перезарядження, мВ Поріг відключення по перерозряду, В Поріг включення перевантаження по струму, 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 споживає досить великий струм в сплячому режимі - близько 300 мкА, що відрізняє її від перерахованих вище аналогів в гіршу сторону (там споживані струми порядку часткою мікроампера).

LC05111CMT

Ну і наостанок пропонуємо цікаве рішення від одного зі світових лідерів з виробництва електронних компонентів On Semiconductor - контролер заряду-розряду на мікросхемі LC05111CMT .

Рішення цікаве тим, що ключові MOSFET'и вбудовані в саму мікросхему, тому з навісних елементів залишилися тільки пару резисторів та один конденсатор.

Перехідний опір вбудованих транзисторів складає ~ 11 міліом (0.011 Ом). Максимальний струм заряду / розряду - 10А. Максимальна напруга між висновками S1 і S2 - 24 Вольта (це важливо при об'єднанні акумуляторів в батареї).

Мікросхема випускається в корпусі WDFN6 2.6x4.0, 0.65P, Dual Flag.

Схема, як і очікувалося, забезпечує захист від перезарядження / розряду, від перевищення струму в навантаженні і від надмірного зарядного струму.

Контролери заряду і схеми захисту - в чому різниця?

Важливо розуміти, що модуль захисту і контролери заряду - це не одне і те ж. Так, їх функції в деякій мірі перетинаються, але називати вбудований в акумулятор модуль захисту контролером заряду було б помилкою. Зараз поясню в чому різниця.

Найважливіша роль будь-якого контролера заряду полягає в реалізації правильного профілю заряду (як правило, це CC / CV - постійний струм / постійна напруга). Тобто контролер заряду повинен вміти обмежувати струм зарядки на заданому рівні, тим самим контролюючи кількість "заливається" в батарею енергії в одиницю часу. Надлишок енергії виділяється у вигляді тепла, тому будь-який контролер заряду в процесі роботи досить сильно розігрівається.

З цієї причини контролери заряду ніколи не вбудовують в акумулятор (на відміну від плат захисту). Контролери просто є частиною правильного зарядного пристрою і не більше.

Схеми правильних зарядок для літієвих акумуляторів наведені в цієї статті .

Крім того, жодна плата захисту (або модуль захисту, називайте як хочете) не здатний обмежувати струм заряду. Плата всього лише контролює напругу на самій банку і в разі виходу його за заздалегідь встановлені межі, розмикає вихідні ключі, відключаючи тим самим банку від зовнішнього світу. До речі, захист від КЗ теж працює за таким же принципом - при короткому замиканні напруга на банку різко просаживается і спрацьовує схема захисту від глибокого розряду.

Плутанина між схемами захисту літієвих акумуляторів і контролерів заряду виникла через схожість порога спрацьовування (~ 4.2В). Тільки у випадку з модулем захисту відбувається повне відключення банки від зовнішніх клем, а у випадку з контролером заряду відбувається перемикання в режим стабілізації напруги і поступового зниження зарядного струму.