Источники электропитания аппаратуры

Контроллер зарядки Li-Ion LTC4054


Однажды на работе (в то время я работал разработчиком систем охлаждения лазеров), ко мне пришёл мой начальник и сказал:

Нам срочно нужно сделать автономную систему охлаждения одного устройства. Я хочу чтобы ты сделал полностью автономную систему термостабилизации

На это я сразу сел и составил список не опробованных и новых для меня вещей, которые я должен сделать перед тем, как выкатить новое устройство. Дело с самими системами у меня обстояли хорошо, а вот с автономностью была полная беда:

Я никогда до этого не делал автономные устройства и LI-ion аккумулятор был для меня редкостью, и только в 1-ом экземпляре.

Тут же сел за компьютер и углубился в познание всего того что «умельцы и профессионалы» делаю, чтобы получить устройство с аккумуляторным питанием. Достаточно быстро я наткнулся на статьи о том, что такое литиевые аккумуляторы, как их идеально можно и нужно заряжать чтобы не падали характеристики аккумуляторов. Оказалось, что почти все крупные производители микросхем и интегрированных сборок выпускают свои контроллеры заряда аккумуляторов разных типов, но зайдя на сайты магазинов торгующих через интернет пришёл к мнению, что их красивые и хорошие контроллеры стоят денег и в наших магазинах их практически нету. Но, зайдя на алиэксперсс, я быстро нашёл не самые новые решения, зато доступные. Самым дешёвым чипом, который мне предлагал сайт, был на тот момент (2014г) контроллер заряда батарей LTC4054, которых я и купил с дуру 50-т штук. В итоге ко мне приехали чипы показанные на рисунке 1.

Внешний вид контроллера LTC4054

Рисунок 1. Внешний вид контроллера LTC4054

Обоснование выбора данного контроллера.

Мой выбор, по обсуждению со знакомыми, казался весьма странным, но после того как я привёл вот такую аргументацию многие из них поняли меня и тоже их заказали:

• Контроллер позволяет заряжать как Li-Ion так и Li-Pol аккумуляторы без значительной потери ёмкости последних.

• Работает с зарядными токами до 800мА. В теории это позволяет заряжать аккумуляторы ёмкостью до 8000мАч. Это прям огромная ёмкость которая не у всех PowerBank-ов то есть.

• Рабочий ток регулируется всего одним резистором. Это удобно, подумал я. Спустя время я понял, что это стандарт.

• Встроенная тепловая защита от перегрева контроллера. Крайне полезная тема, позволяющая не раскалить вашу микросхему до красна и в некоторых случаях избежать проблем короткого замыкания (КЗ).

• Встроенный силовой ключ для зарядки батарейки.

• Минимум деталей помимо контроллера. По даташиту требовался лишь фильтрующий конденсатор и резистор программирования рабочим током. Чисто технически их можно использовать в корпусе для SMD монтажа 0603/0402, что благоприятно влияет на размеры устройства и стоимость сборки (минимум точек пайки)

• Контроллер занимает на плате минимальное место (корпус sot23-5 размерами 2,8х2,9 мм)

• Есть встроенная индикация начала и конца зарядки (которую можно и не паять), которая приятно сообщает о том, что контроллер начал заряжать батарейку и о том, что он закончил.

• Корпус конечно SMD, но лапки у него сбоку, а не под ним. Это позволило достаточно просто его паять на платы обычным паяльником и не заморачиваться с обдувом феном с прогревом платы.

• Чисто технически пин управления внешним светодиодом можно законтачить с ножкой микроконтроллера и делать отключение МК при работе от зарядки, но я как то до сих пор эту сторону не проверил.

• Ну прям очень низкая стоимость (мне они достались по 12 рублей за штуку), тогда я думал что это дорого, но это копейки по сравнению со стоимостью аккумуляторов.

• Контроллер судя по даташиту достаточно был старый (2003г) и я думал что он прям отработанный. Посмотрев эту тему в интернете я нашёл, что даже в некоторых телефонах его использовали. Современное состояние цен.

Дело в том, что в последствии мои читатели сказали, что «от производителя» данные микросхемы идут дороже, чем я купил с Китая. Зайдя на популярный сервис Диджикей я вдруг прочитал, что микросхемы достаточно дорогие = 1,82$ (обращение в апреле 2017г). не знаю с чем это связано. Возможно с моральным устареванием и проблемами, описанными ниже по тексту, возможно мне в Китае продали остатки от крупной партии которые не потребовались установочной машине, и эти детали списали как остатки.

Первое включение

Чисто технически я достаточно быстро(всего за 3 месяца, так как было много другой работы) разработал и запаял себе микро плату, на которой испытал данный контроллер в деле. К сожалению фото данной платы у меня не осталось, но потом я делал плату с защитой для 18650 + LTC4054 + BMS(DW01a) и могу вам её показать на рисунке 2.

Внешний вид платы зарядки с BMS контроллером.

Рисунок 2. Внешний вид платы зарядки с BMS контроллером.

После подключения к блоку питания порядка 15 секунд всё было прям отлично, а потом началось снижение токов. Контроллер перегревался. В разводке платы я не учёл, что она работает как линейный стабилизатор и разницу между +5V по входу и 2,4…4,2В на выходе переводит в тепло на заданном токе. При установленном мною токе в 600мА на начале заряда полностью севшего аккумулятора на микросхеме выделялось 2 Вт тепла. Судя по даташиту она должна была прогреться на +300*С, но включилось ограничение по температуре кристала и ток был снижен.

Честно говоря это происходило пульсациями, так как данная защита компараторного типа, которые могут приводить даже к выходу неподготовленной электроники из строя, о чём я снял видео:

Решение нашлось очень быстро, и при помощи плоского зажима для бумаги я легко отвёл тепло от микросхемы и она показала запрограммированный ток. В дальнейших решениях я как только не старался отвести тепло печатной платой. Пожалуй самый лучший в этом плане вариант я привожу в качестве примера на рисунке 3. Там я буквально от каждой ножки отвожу тепло полигоном. Даже от средней ножки земли 9через металлизированные отверстия на другую сторону платы. При таком решении я пробовал работу аккума при рабочем токе в 550мА!!!! В серийных моделях я конечно сбавляю ток резистором до 300мА, прилично снижая температуру корпуса и делая возможность его работы в замкнутых и герметичных корпусах.

Вариант печатной платы с отводом тепла полигонами с металлизацией.

Рисунок 3. Вариант печатной платы с отводом тепла полигонами с металлизацией.

Большее значение токов достигалось при помощи последнего варианта с обдувом воздуха и закреплённой скрепкой для бумаг. Там я снимал токи до 800мА, после чего контроллер почему-то уходил в защиту по току.

Заряжал я при этом всё от своего блока питания, и бед не знал. После этого меня уволили с той работы (кризис и мои кривые руки) и за эту тему я взялся через год под ещё один проект:

Фотография синхронизатора

Рисунок 4. Фотография синхронизатора.

Там я воткнул всё это дело к USB разъёму и получилось не плохо, заряжалось. Там была куча других проблем, с которыми я боролся, но потом переключившись на другие проекты просто забросил. Это достаточно ранние мои познания в этой области и тут всё работало на зарядном токе порядка 200 мА. Дальше не позволяло тепло.

После этого мне потребовалось собрать мои последние устройства, которыми я прям доволен. Я почти не раздумывая установил туда LTC4054. И, всё было снова здорово. Аккумуляторы заряжались, удалось собрать всё в корпус, но в виде отведения тепла было ещё не всё так идеально (250-270 мА), но уже близко. Всё работало с USB-MINI разъёмом и я прям не беспокоился о этом узле устройства. Наглядно его можно посмотреть на рисунке 5.

Фотография устройства в корпусе

Рисунок 5. Фотография платы gatemeter.

Но, прогресс не остановить, и мой друг попросил меня немного его доработать:

• Нам пришёл фантастически удобный новый корпус

• Хотелось учесть ряд огрехов в ВЧ части и повысить чувствительность

• Хотелось снизить габариты и использовать другие дисплеи.

После этого у меня, путём кучи работы появилась версия 2, показанная на рисунке 6. С ней оказалось, что я исправил все остальные огрехи, но почему-то не работала система зарядки и питания. Грешить на TPS63000 я не стал, я по сему я продолжил изучать возможности LTC4054.

Новый виток.

И снова столкнулся с тем, что пришлось писать в компанию производитель микросхем. На этот раз письмо было отправлено в Linear Technology, с просьбой объяснить, что делать если их микросхема приводит к проблемам. Описание сути проблемы: Есть контроллер зарядки Liion аккумуляторов LTC4054 от 5-ти вольтовой линии. При коммутации его с любой стандартной 5-ти вольтовой зарядкой BMS(защита аккумулятора) отключалась по сигналу OverCharge. Экспериментальным путём было выявлено: что при подключении отключённого от сети 220В блока питания, а затем запуска с уже присоединённой платой зарядки, BMS в защиту не уходило и начиналась стандартная зарядка.

Как было позже выяснено - это влиял фильтрующий конденсатор, который генерировал искру и высоковольтный (7 вольт) выброс (свойство блоков питания), который и приводил к нужному срабатываю защиты (данный конденсатор на схеме показан зелёным смотри рисунок 6).

Схема подключения LTC4054

Рисунок 6. Схема подключения LTC4054

В даташите есть чёткое описание необходимости этого момента:

Positive Input Supply Voltage. Providespower to the charger. VCC can range from 4.25V to 6.5V and should be bypassed with at least a 1µF capacitor.

После этого контроллер LTC4054 естественно не видел аккумулятор, и выдавал почти даташитовские 100 мВ на ножке PROG и 1.4 В на линии батарейки.

Разобравшись в этой проблеме, я удалил конденсатор с платы, после чего всё стало хорошо. Зарядка хорошо работает, но остался вопрос: зачем Linear Technology указывают его в даташите, если он приводит к неработоспособности устройства? Собственно именно этот вопрос я и задал производителям из LT, и жду ответа.

На письмо мне так и не ответили, но я отправил копию подписчикам своего сообщества, где получил мощнейшую дискуссию по данной проблеме, откуда я пришёл к заключению:

1. В разъёме контакты находятся близко друг к другу, что создаёт значительную индуктивность, препятствующую протеканию больших импульсных токов

2. Конденсатор можно удалить, ничего страшного в этом нету. При длине шнура более 30 см всё работает нормально.

По заключению всё работало, но труда и нервов это стоило много. Теперь о данной проблеме я в курсе, стараюсь сейчас испытать метод защиты устройства от данной проблемы при помощи ограничивающего резистора. Как только испытаю допишу тут.

Итог.

По всему вышеописанному хочу сказать, что сейчас с некоторой опаской отношусь к данному контроллеру заряда батареек. Есть ряд более дешёвых, и не сильно более громоздких контроллеров заряда по типу MCP73833, которые так-же можно применять в своих разработках, но которые выпущены раньше (чем 2003 год) и за такие же деньги позволяют больший функционал/выше зарядные токи/обеспечивают работу ряда хитрый функций, но:

• на текущий момент это всё ещё доступное открытое и понятное решение, которое можно найти в интернете, и которое стоит своих денег

• Наличие кучи встроенных защит скорее отключит устройство, чем причинит вред аккумулятору

• Работать с ним было одно удовольствие, хотя нагрев немного портит картину.

• Даташит составлен очень здорово. Есть почти всё, что может потребоваться начинающему инженеру, судя по приложению.

• Цена в Китайских магазинах до сих пор остаётся на уровне 4-5 рублей за штуку.


p.s. Старался написать всё как есть и то, что разобрал по ходу. Надеюсь было полезно.


                                         
Самое популярное на сайте за декабрь


Самое новое на сайте

Отчёт о деятельности за 2017 год



Сайт создан в 2011 г. © Все права на материалы сайта, принадлежат Meanders.
Копирование материалов сайта и размещение на других интернет-ресурсах запрешено. По всем вопросам пишите мне на E-mail: netolkomilo@ya.ru