Узлы управления зарядом и разрядом литий-ионной батареи

При использовании литий-ионных батарей, желательно ограничивать их разряд и заряд. Я для этой целей использовал компараторы на основе копеечных микросхем КМОП. Микросхемы эти крайне экономичны, так как работают на микротоках. На входе у них стоят полевые транзисторы с изолированным затвором, что даёт возможность применить микротоковый же Источник Опорного Напряжения (ИОН). Где взять такой источник я не знаю (Можно попобовать применить LM385 на 1.2В или 2.5В. Прим.ред.), поэтому воспользовался тем обстоятельством, что в режиме микротоков, напряжение стабилизации обычных стабилитронов снижается. Это позволяет управлять напряжением стабилизации в некоторых пределах. Так как это не задокументированное включение стабилитрона, то, возможно, для обеспечения определённого тока стабилизации, стабилитрон придётся подобрать.

Чтобы обеспечить ток стабилизации, скажем, 10-20 мкА, сопротивление балласта должно быть в районе 1-2 МОм. Но, при подгонке напряжения стабилизации, сопротивления балластного резистора может оказаться, либо слишком маленьким (несколько килоом), либо слишком большим (десятки мегаом). Вот тогда придётся подобрать не только сопротивление балластного резистора, но и экземпляр стабилитрона.

Переключение цифровой КМОП микросхемы происходит тогда, когда уровень входного сигнала достигает половины напряжения питания. Поэтому, если запитать ИОН и микросхему от источника, напряжение которого требуется измерить, то на выходе схемы можно получить сигнал управления. Ну, а этот самый сигнал управления и можно подать на третий вывод микросхемы MC34063.

На чертеже изображена схема компаратора на двух элементах микросхемы К561ЛА7.

Резистор R1 определяет величину опорного напряжения, а резисторы R2 и R3 гистерезис компаратора.

Узел включения и идентификации зарядного устройства

Чтобы телефон или плеер начал заряжаться от разъёма USB, ему нужно дать понять, что это разъём USB, а не какой-то суррогат. Для этого можно подать на контакт «-D» положительный потенциал. Во всяком случае, для Blackberry и iPod-а этого достаточно. Но, моё фирменное зарядное устройство подаёт положительный потенциал ещё и на контакт «+D», поэтому я поступил точно так же.

Другое назначение этого узла – управление включением и выключением преобразователя 12,6 > 5 Вольт при подключении нагрузки. Эту функцию выполняют транзисторы VT2 и VT3.

В конструкции портативного ЗУ предусмотрен и механический выключатель питания, но его назначение скорее соответствует "выключателю массы" АКБ в автомобиле.

Электрическая схема портативного блока питания

На рисунке представлена схема мобильного блока питания.

C1, C3 = 1000мкФ

C2, C6, C10, C11, C13 = 0,1мкФ

C4, C5 = 680пФ

C7 = 3000мкФ

C8 = 10нФ

C14 = 20мкФ (танталовый)

IC1, IC2 – MC34063
DD1 = К176ЛА7

R3, R12 = 1k

R27 = 44m

DD2 = К561ЛЕ5

R4, R7 = 300k

R28 = 3k

FU = 1A

R5 = 30k

VD1, VD2 = 1N5819

HL1 = Green

R6 = 0,2E

VD3, VD6 = КД510А

HL2 = Red

R8, R15, R23, R29 = 100k

VT1, VT2, VT3 = КТ3107

L1 = 50mkH

R10, R11, R13, R26 = 1m

VT4 = КТ3102
L2 = 100mkH

R16, R24 = 22m

Подбираются

R0, R21 = 10k

R17, R19, R25 = 15k

R14* = 2m
R1 = 180

R18 = 5,1m

R22* = 510k

R2 = 0,3E

R20 = 680E

VD4*,VD5* = КС168А

Назначение узлов схемы.

IC1 – повышающий преобразователь напряжения 5 > 14 Вольт, который служит для заряда встроенной аккумуляторной батареи. Преобразователь ограничивает входной ток на уровне 0,7 Ампера.

DD1.1, DD1.2 – компаратор заряда батареи. Прерывает заряд по достижению 12,8 Вольт на батарее.

DD1.3, DD1.4 – генератор индикации. Заставляет мигать светодиод во время заряда. Индикация сделана по аналогии с зарядными устройствами Nikon. Пока идёт заряд, светодиод мигает. Заряд окончен – светодиод горит постоянно.

IC2 – понижающий преобразователь 12,6 > 5 Вольт. Ограничивает выходной ток на уровне 0,7 Ампера.

DD2.1, DD2.2 – компаратор разряда батареи. Прерывает разряд батареи при снижении напряжения до 7,5 Вольт.

DD2.3, DD2.4 – таймер экстренного включения преобразователя. Включает преобразователь на 12 минут, даже если напряжение на батарее упало до 7,5 Вольт.

Тут может возникнуть вопрос, почему выбрано такое низкое пороговое напряжение, если некоторые производители не рекомендуют допускать его снижение ниже 3,0 и даже 3,2 Вольта на банке?

Я рассуждал так. Путешествия случаются не так часто, как этого бы хотелось, поэтому батарее вряд ли придётся пережить много циклов заряда-разряда. Между тем, в некоторых источниках, описывающих работу литий-ионных батарей, напряжение 2,5 Вольта как раз называют критическим.

Но, Вы можете ограничить предельный разряд более высоким уровнем напряжения, если предполагается часто использовать подобное зарядное устройство.

Конструкция и детали

Печатные платы (ПП) изготовлены из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1мм. Размеры ПП выбраны исходя из размеров приобретённого корпуса.

Все элементы схемы, кроме аккумуляторной батареи, размещены на двух печатных платах. Причём на меньшей расположен только разъём Mini USB для подключения внешнего зарядного устройства.

Узлы БП были помещены в стандартный полистироловый корпус Z-34. Это самая дорогая деталь конструкции, за которую пришлось выложить 2,5$.

Выключатель питания поз.2 и кнопка принудительного включения поз.3 спрятаны заподлицо с внешней поверхностью корпуса, во избежание случайного нажатия.

Разъём Mini USB выведен на заднюю стенку корпуса, а разъём USB поз. 4 вместе с индикаторами поз. 5 и поз.6 на переднюю.

Размер печатных плат рассчитан так, чтобы зафиксировать аккумуляторы в корпусе портативного БП. Между аккумуляторами и другими элементами конструкции вставлена прокладка из электрокартона толщиной 0,5мм, согнутая в виде коробки.

А это портативный БП в собранном виде.

Настройка

Настройка портативного зарядного устройства свелась к подбору экземпляров стабилитронов и сопротивлений балластных резисторов для каждого из двух компараторов.

Как подогнать резисторы с высокой точностью описано здесь.

Дополнительные материалы
Скачать даташит на микросхему MC34063 и её аналог КР1156ЕУ5 на русском языке (50КБ).

Скачать портативную программу для расчёта параметров преобразователя MC34063 (60КБ).

Скачать чертёж печатной платы в формате Sprint Layout (50КБ).

Скачать портативную программу Sprint Layout 5.0 для рисования, редактирования и вывода на печать печатных плат. Интерфейс русский. (4,4МБ).

Источник:
http://oldoctober.com/ru/charger/?cp=all