0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Зарядные устройства для Li-ion-аккумуляторов

Зарядные устройства для Li-ion-аккумуляторов. Особенности и принцип работы

Данная статья является переводом главы Battery Chargers and Fuel Gauges из руководства MOBILE POWER. Product Selector Guide от компании Maxim Integrated. В ней рассматриваются основные виды зарядных устройств и принцип их действия.

Современным мобильным устройствам для нормальной работы требуются аккумуляторы большой емкости. Как правило, в таких устройствах используют Li-ion-аккумуляторы, так как они отличаются малым весом и высокой плотностью энергии. Зарядные микросхемы от Maxim Integrated реализуют множество функций, которые позволяют создавать надежные зарядные устройства, обеспечивающие безопасную работу аккумуляторов. Кроме того, датчики уровня заряда от Maxim Integrated гарантируют высокую точность измерений благодаря уникальным алгоритмам ModelGauge™. Пользователям также предлагаются микросхемы с функцией аутентификации SHA-256, которые исключают возможность использования нелицензионных аккумуляторов. Зарядные микросхемы и датчики уровня заряда от Maxim Integrated обеспечивают эффективность, точность и безопасность при работе с Li-ion-аккумуляторами (Рис. 1).

Рис. 1. Зарядные микросхемы и датчики уровня заряда от Maxim Integrated отвечают самым жестким требованиям безопасности, предъявляемым при работе с Li-ion-аккумуляторами

Особенности процесса заряда Li-ion-аккумуляторов

Оптимальный алгоритм заряда является обязательным условием долгого срока службы для всех типов аккумуляторов. Кроме того, при работе с Li-ion-аккумуляторами требуется особая осторожность, так как их неправильная зарядка может привести к катастрофическим последствиям. Для достижения высокого уровня безопасности зарядные микросхемы от Maxim Integrated разбивают процесс заряда Li-ion-аккумуляторов на три этапа: этап подготовки (prequalifcation), этап быстрой зарядки (fast-charging), этап завершения зарядки (Top-off) (рис. 2). В некоторых случаях для повышения уровня защиты аккумулятора и увеличения эффективности процесс заряда может быть разделен на большее число этапов.

Рис. 2. Для обеспечения безопасности процесс зарядки аккумулятора разбивается на несколько этапов

Если Li-ion-аккумулятор находится в состоянии глубокого разряда, то его нельзя сразу заряжать большим током, так как это может привести к повреждению элемента питания. По этой причине разряженный аккумулятор проходит этап подготовки. На этом этапе для обеспечения безопасности выполняется медленная зарядка аккумулятора малым током с точным контролем напряжения. Аккумулятор плавно заряжается до тех пор, пока его напряжение не поднимется выше заданного значения. Как только аккумулятор зарядится до безопасного уровня, начинается этап быстрой зарядки.

Читать еще:  Чем заделать пробоину в шифере

На этапе быстрой зарядки аккумулятор сначала заряжается повышенным постоянным током. Величина тока определяется емкостью аккумулятора и требуемым временем заряда. Производители аккумуляторов часто указывают максимальный ток, который может использоваться в процессе заряда. Ограничение тока заряда, в свою очередь, приводит к ограничению минимальной длительности безопасного заряда аккумулятора. После первой фазы быстрой зарядки с повышенным током следует фаза завершения быстрой зарядки. Зарядные устройства от Maxim Integrated предлагают широкий спектр методов завершения быстрой зарядки (подробнее о них рассказывается в следующем пункте). На рис. 2 представлен вариант с постоянным напряжением и плавным уменьшением тока.

На заключительном этапе выполняется плавное завершение зарядки (top-o?). При этом аккумулятор также заряжается при постоянном напряжении. Длительность этапа определяется таймером, который по окончании счета отключает ток заряда. Эта стадия призвана очень аккуратно и безопасно довести уровень заряда аккумулятора до максимального значения.

Методы завершения этапа быстрой зарядки

Вторая фаза этапа быстрой зарядки может проходить по различным сценариям с учетом различных требований. Перечень требований обычно определяется индивидуальными электрохимическими особенностями заряжаемого аккумулятора. Ниже приведен список вариантов окончания процесса быстрой зарядки при работе с Li-ion-аккумуляторами.

Вариант с ограничением по току – устанавливает максимальный предел зарядного тока. Зарядное устройство продолжает поддерживать максимальный постоянный ток до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное напряжение и/ или не истечет время, задаваемое таймером. Максимальное напряжение и интервал таймера являются регулируемыми параметрами, что обеспечивает гибкость данного метода.

Данные параметры настраиваются либо аппаратно (например, с помощью внешних резисторов), либо программно с помощью интерфейсов I2C/ SMBus. Таким образом, метод с ограничением по току обеспечивает и быструю зарядку, и высокую гибкость.

Вариант с ограничением минимального тока зарядки. Зарядные устройства, использующие такой метод, в начале этапа быстрого заряда устанавливают фиксированный постоянный ток. После того как напряжение аккумулятора достигает заданного порогового значения, ток заряда начинает уменьшаться. Зарядка заканчивается после достижения указанного минимального значения зарядного тока.

Читать еще:  Необычный ремонт выпадающей розетки

Вариант с внешним управлением – зарядные устройства, использующие такой метод, обычно имеют вход для управления зарядным током. Это позволяет разработчикам реализовывать собственные алгоритмы зарядки с использованием внешнего микроконтроллера. Эти устройства отличаются простотой и гибкостью, что делает их интересными для самых разных приложений

Вариант Smart Battery Control – метод, используемый при работе с интеллектуальными аккумуляторами со встроенной функцией управления зарядом. Согласно спецификации Smart Battery Control управление зарядом таких аккумуляторов осуществляется с помощью шины SMBus. Для получения подробной информации по данному методу управления следует обратиться к документу Smart Battery Charger Specifcation Revision 1.1.

Вариант с ограничением по времени. При использовании данного метода процесс зарядки заканчивается по таймеру. Таймер начинает отсчет времени в начале фазы зарядки. Этот метод также используется для защиты от перезаряда.

Вариант с ограничением максимальной температуры. В данном случае зарядка прекращается при достижении заданной температуры аккумулятора. Контроль температуры предотвращает перегрев аккумулятора, что обеспечивает его защиту. Для измерения температуры аккумулятор должен иметь встроенный датчик температуры, например, термистор.

Линейные и импульсные зарядные устройства

Зарядные устройства могут использовать различные топологии, каждая из которых оказывается оптимальной с учетом тех или иных требований. Мобильные устройства, как правило, используют низковольтные микросхемы и компоненты, для питания которых достаточно низковольтных аккумуляторов. По этой причине зарядные устройства обычно являются понижающими преобразователями. Для понижения напряжения и регулирования тока можно применять как линейные, так и импульсные преобразователи.

Линейные зарядные устройства модулируют сопротивление встроенного МОП-транзистора, тем самым управляя зарядным током аккумулятора. Импульсные зарядные устройства представляют собой понижающие преобразователи, позволяющие управлять током заряда аккумулятора за счет изменения коэффициентом заполнения или частоты ШИМ-сигнала. Выходной ШИМ-сигнал таких преобразователей дополнительно фильтруется с помощью внешних фильтров для получения стабильного напряжения и требуемого тока.

Читать еще:  Снежинка из подручных материалов

У линейных и импульсных зарядных устройств есть достоинства и недостатки. Рассмотрим их подробнее.

Преимущества линейных зарядных устройств:

  • Низкая стоимость
    • минимальное число компонентов
    • не требуются индуктивности и трансформаторы
  • Компактные размеры
    • для работы требуются только входные/ выходные конденсаторы
    • не требуется фильтрация
  • Низкий уровень собственных помех

Преимущества импульсных зарядных устройств:

  • Высокий зарядный ток > 1А. Зарядный ток ограничен только максимальным током полевых транзисторов
    • широкий диапазон входных напряжений ограничен только минимальным и максимальным значением коэффициента заполнения
  • Высокая эффективность
    • минимальные собственные потери
    • низкое тепловыделение

Пример реализации зарядного устройства для портативных игровых устройств

Рассмотрим пример построения зарядного устройства для портативной игровой консоли с аккумуляторным питанием.

Быстрорастущая индустрия видеоигр характеризуется постоянным появлением на рынке все более компактных игровых консолей с расширенным функционалом. Портативные игровые устройства поддерживают обработку потокового видео, определяют движения в реальном времени, используют беспроводные каналы связи, обсчитывают показания множества периферийных датчиков. Очевидно, что для таких устройств необходимы аккумуляторы большой емкости. В свою очередь это влечет за собой необходимость реализации зарядного устройства, которое должно обеспечивать высокий ток в фазе быстрой зарядки и при этом сохранять компактные габариты. Зарядная микросхема MAX8971 может выдавать ток быстрой зарядки до 1,55 А и имеет корпусное исполнение WLP размером всего 2,18 мм х 1,62 мм. Встроенный LDO-стабилизатор обеспечивает питание для малопотребляющих USB PHY. MAX8971 соответствует JEITA, что гарантирует безопасную зарядку в широком диапазоне температур. Кроме того, MAX8971 поддерживает режим GSM test mode, который обеспечивает пиковый импульсный ток 2,3 А на частоте 217 Гц с рабочим циклом 12,5%. Данный режим позволяет производителю проверять работоспособность аккумулятора при работе с переходными нагрузками, ожидаемыми от приемопередатчиков GSM. Это повышает надежность игровых устройств с функциями определения местоположения и/ или передачи данных. На рисунке 3 показан пример использования MAX8971 в составе типового портативного игрового устройства.

Рис. 3. Типовая портативная игровая система с зарядным устройством MAX8971

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector