Зарядний пристрій на базі багатофункціонального інтегрального контролера заряду MAX8934 виробництва Maxim Integrated з функцією Smart Power Selector ™ забезпечує безпечний цикл заряду / розряду для портативного пристрою і є готовим рішенням без зовнішніх MOSFET-ключів і індуктивностей.
Все більшого поширення в портативній електроніці отримують літій-іонні акумулятори. Перевагами таких акумуляторів є компактні розміри при високій енергетичній щільності, а також великі зарядні струми, значно знижують час заряду пристрою. Термін служби батареї залежить від умов її експлуатації і в середньому становить 500 ... 1000 циклів заряду-розряду. Серед недоліків можна також виділити низьку стійкість літію до займання. Li-Ion-акумулятор не переносить надмірне нагрівання та охолодження. Нормальний діапазон його роботи становить 0 ... 40 ° С. Акумулятор саморазряжаются навіть в разі окремого зберігання. При температурі 20 ° С акумулятор може втрачати в місяць до 15% свого заряду. Якщо акумулятор буде сильно розряджений, він може вийти з ладу при неправильному заряді. Критичним вважається розряд до 5%. При цьому зростаючий функціонал сучасних портативних пристроїв вимагає все більшої ємності батареї. Це робить Li-Ion-акумулятори незамінною частиною більшості сучасних гаджетів.
При розробці портативних пристроїв із застосуванням Li-Ion-акумуляторів перед розробником ставиться завдання щодо забезпечення швидкого, якісного та безпечного процесу заряду. Процес розробки зарядних пристроїв спрощують спеціалізовані мікросхеми контролерів заряду. Maxim Integrated пропонує готове рішення зарядних пристроїв із застосуванням лінійки мікросхем MAX8934 (Рисунок 1), що представляють собою лінійний контролер заряду Li-Ion-акумуляторів. Всі мікросхеми лінійки випускаються в корпусах TQFN-24 4х4 мм. Незважаючи на невеликі розміри мікросхеми, її можна монтувати на платі вручну. Обв'язка мікросхеми не має на увазі застосування зовнішніх MOSFET-ключів і котушок індуктивності. Контролер забезпечує роботу зарядного пристрою відповідно до рекомендацій JEITA (Japan Electronics and Information Technology Industries Association), виконуючи контроль параметрів і їх автоматичне коректування в процесі заряду акумулятора.
Мал. 1. Функціональна схема MAX8934
особливістю MAX8934 є наявність вбудованого модуля автоматичного перемикання джерел живлення Smart Power Selector ™, що забезпечує заряд від USB і нестабілізованої мережевого адаптера. При одночасному підключенні двох джерел зарядка буде проводитися від адаптера. Зовнішнє живлення для входів DC і USB становить 4,1 ... 6,6 В. У випадку виходу напруги живлення з діапазону 4 ... 6,9 В передбачений захист, яка відключає активний зарядний вхід. Струм при заряді від входу DC може становити 1,5 і 2 А. Зарядний струм зі входу USB обмежений 100 мА або 500 мА для MAX8934A / MAX8934B / MAX8934C / MAX8934E і 1,5 A для MAX8934D . Мікросхема контролює температуру батареї в процесі роботи, а також здійснює моніторинг і управління зарядним струмом по попередньому налаштуванні. Є вбудований лінійний стабілізатор для зовнішніх електричних ланцюгів. Перед початком процесу зарядки проводиться перевірка напруги на акумуляторі і підготовка до швидкого заряду. У разі глибокого розряду батареї початкова зарядка проводиться струмом, величина якого становить 10% від встановленого значення. При досягненні значення напруги акумулятора 3 В струм заряду зростає до 100%, а при досягненні 4,2 В струм дозаряда знижується до 10% від встановленого. Тривалість дозаряда налаштовується і становить 15 с для MAX8934A / MAX8934C / MAX8934E , 60 хв. для MAX8934B / MAX8934D . Після цього заряд припиняється. При зниженні напруги акумулятора на 100 мВ знову запускається процес заряду.
Мал. 2. Принципова схема зарядного пристрою плеєра
Мал. 3. Розміщення MAX8934C з обв'язкою на платі
Лінійний контролер заряду MAX8934C був використаний при розробці макетного зразка плеєра, схемне рішення якого представлено на малюнку 2. Так як пристрій переносний і має тільки батарейне харчування, то основним завданням при розробці є забезпечення його портативності. Отже, необхідно забезпечити менший час дозаряда батареї. У MAX8934C воно становить 15 с. Плеєр передбачається розміщувати в навушнику разом з батареєю, отже, необхідно забезпечити безпеку користувача і в процесі зарядки і роботи пристрою контролювати температуру і зарядний струм. Як і багато портативні пристрої, плеєр при виключенні перекладається в сплячий режим зі зниженим енергоспоживанням. При цьому споживання схеми зменшується, але розряд батареї триває, тому функція зарядки глибоко розрядженою батареї також актуальна. Пристрій повинен бути сумісним з USB, отже, струм заряду був обраний 475 мА. Вхід DC не активний. При такому режимі відсутня надмірний розігрів, що досить актуально при використанні лінійних контролерів. Майданчик, яку займає мікросхемою з обвісом, становить 15х15 мм при використанні чіп-резисторів та конденсаторів з типорозміром 0603. Плата виготовлена з четвертого класу (малюнок 3). Загальний струм споживання пристрою становить 110 мА. Передбачуваний час роботи 10 ... 11 годин. Як акумулятора був використаний EEMB LP102945 ємністю 1300 мА / ч. Плеєр реалізований на базі 32-розрядного контролера STM32F105VCT6 з тактовою частотою 72 МГц, який також контролює роботу зарядного пристрою.
Опис схеми включення контролера заряду MAX8934:
DONE - прапор закінчення заряду. Активний рівень - низький. Вихід з відкритим колектором. Якщо після установки прапора зарядний пристрій не було видалено, то енергія батареї не буде витрачатися. Пристрій буде живиться від зовнішнього джерела.
CHG - прапор, що позначає процес заряду. Активний рівень - низький. Вихід з відкритим колектором.
OT - прапор, що позначає його перегрівання. Активний рівень - низький. Вихід з відкритим колектором. Спрацьовує, коли активний прапор THMEN, встановлений термистор і температура батареї вище 75 ° С.
DOK - прапор, що позначає з'єднання адаптера живлення (DC). Активний рівень - низький. Вихід з відкритим колектором.
UOK - прапор, що позначає підключення кабелю USB. Активний рівень - низький. Вихід з відкритим колектором.
FLT - прапор аварії батареї. Активний рівень - низький. Вихід з відкритим колектором. Чи стане активним в разі, якщо фаза заряду зниженим струмом або фаза заряду номінальним струмом перевищать значення часу, отримані за формулами (1) і (2), відповідно.
Перераховані висновки мають здатність навантаження 20 мА і можуть бути обладнані світлодіодним індикацією. Висновки необхідно підтягувати до харчування резисторами 1 МОм.
CEN - вхід дозволу початку заряду. Активний рівень - низький. Не обов'язково використовувати мікроконтролер для управління цим входом. Система Smart Power Selector автоматично зупинить процес зарядки по завершенню. Висновок можна підключити до точки нульового потенціалу.
THMEN - вхід включення схеми контролю термистора. Активний рівень-високий. Після закінчення процесу зарядки рекомендується відключати, щоб не витрачати енергію батареї.
USUS - високий рівень може призупиняти заряджання від входу USB.
THMSW - виведення живлення для дільника з термістором. У разі активного сигналу THMEN даний вхід з'єднується з входом LDO. До цього входу підключається опір 100 кому, еквівалентну опору термістора. Однак може бути використано будь-яке інше опір, номінал якого еквівалентний опору встановленого термистора при 25 ° С.
THM - висновок для підключення термистора з негативним температурним коефіцієнтом опору (наприклад Vishay NTHS0603N01N1003FF або Murata NCP15WF104F03 ).
СТ - висновок таймера контролю тривалості заряду. Він необхідний для роботи прапора FLT. Тривалість задається номіналом ємності конденсатора С2 (малюнок 2). Для відключення таймера висновок необхідно заземлити.
Час заряду зниженим струмом TPQ (хв):
TPQ = 30 хв × C2 / 0,068 мкФ (1)
Час заряду номінальним струмом TFC (хв):
TFC = 300 хв × C2 / 0,068 мкФ (2)
PSET - висновок для підключення опору R10. Обмежує вхідний струм мережевого адаптера (таблиця 1).
ISET - висновок для підключення опору R11. Обмежує зарядний струм акумулятора (таблиця 2). Напруга на цьому висновку пропорційно зарядного струму.
DC - вхід для підключення мережевого адаптера. Рекомендується встановити керамічний конденсатор ємністю 10 мкФ між висновком DC і землею.
USB - вхід для підключення зарядного кабелю USB. Якщо акумулятор заряджений, то енергія, яка надходить від DC і USB, розподіляється між SYS і LDO.
BATT - вхід для підключення батареї. Обидва висновки необхідно з'єднати на друкованій платі. Рекомендується встановити керамічний конденсатор ємністю 4,7 мкФ між висновком BATT і землею.
SYS - вихід системи харчування. Підключений до висновку BATT через внутрішній перемикач. При зарядці через DC або USB напруга на SYS обмежується 5,3 В ( MAX8934A ) Або 4,35 В ( MAX8934B / MAX8934C / MAX8934D / MAX8934E ). Висновок SYS необхідно підключити до землі через керамічний конденсатор 10 мкФ.
Vl - висновок внутрішньої логіки LDO. Забезпечує 3,3 В, коли на вході DC або USB присутня напруга заряду. Необхідно підключити до землі через керамічний конденсатор 0,1 мкФ. Підтримує зовнішню навантаження до 5 мА.
LDO - вихід лінійного регулятора 3,3 В. Вихід LDO забезпечує до 30 мА струму для світлодіодних індикаторів або інший навантаження. Необхідно підключити керамічний конденсатор 1 мкФ між висновком LDO і землею.
PEN1, PEN2 - обмеження вхідного і зарядного струму. Їх значення необхідно встановити відповідно до таблиць 3 і 4.
Таблиця 3. Логіка управління режимами заряду для контролерів MAX8934A / MAX8934B / MAX8934C / MAX8934E
Джерело DOC UOC PEN1 PEN2 USUS Вхідний
ток DC Вхідний струм USB Зарядний струм DC-адаптер / DC-вхід активний будь активний будь будь-3000 В / R10 пріоритет у DC 3000 В / R11 USB-кабель / DC-вхід активний будь неактивний активний неактивний 475 мА 475 мА активний будь неактивний неактивний неактивний 95 мА 95 мА активний будь неактивний будь активний відключений 0 USB-кабель / USB-вхід, DC не підключений неактивний активний будь активний неактивний DC не підключений 475 мА 3000 В / R11 неактивний активний будь неактивний неактивний 95 мА неактивний активний будь будь-активний відключений 0 DC і USB не підключені неактивний неактивний будь будь будь-USB-пристрій не одключен 0
Таблиця 4. Логіка управління режимами заряду для контролера MAX8934D
Джерело DOC UOC PEN1 PEN2 USUS Вхідний
ток DC Вхідний
ток USB Зарядний струм DC-адаптер / DC-вхід активний будь активний будь будь-3000 В / R10 пріоритет у DC 3000 В / R11 USB-кабель / DC-вхід активний будь активний будь будь-3000 В / R10 3000 В / R11 активний будь неактивний активний неактивний 475 мА 475 мА активний будь неактивний неактивний неактивний 95 мА 95 мА активний будь неактивний будь активний відключений 0 USB-кабель / USB-вхід, DC не підключений неактивний активний активний активний неактивний DC не підключений 3000 В / R10 3000 В / R11 неактивний активний активний неактивний неактивний 600 В / R10 3000 В / R11 неактивний активний неактивний активний неактивний 475 мА 475 мА неактів ен активний неактивний неактивний неактивний 95 мА 95 мА неактивний активний будь будь-активний відключений 0 DC і USB не підключені неактивний неактивний будь будь-будь-який USB не підключений 0
Мал. 4. Осцилограма заряду акумулятора від USB
При розробці використовувався термистор NTHS0603N01N1003FF і еквівалентний резистор R12 100 кОм 1%. Задіяний таймер контролю тривалості заряду зниженим і номінальним струмом на 30 і 300 хв відповідно. Установка часу проводилася за формулами (1) і (2). С2 - керамічний конденсатор ємністю 0,068 мкФ. R10 обмежує вхідний струм до 2 А (таблиця 1). R11 обмежує зарядний струм до 1 А (таблиця 2). Остаточний струм заряду від USB встановлюється по таблиці 3. На малюнку 4 представлений приклад осцилограми заряду акумулятора номінальним струмом при встановлених вище налаштуваннях.
Таблиця 1. Обмеження вхідного струму
R10, кому Струм від DC, мA 1,5 2000 3 1000 6,3 475
Таблиця 2. Обмеження зарядного струму
R11, кому Зарядний струм, мА R10 = 1,5 кОм R10 = 3 кОм 2 1500 750 4 750 375 10 300 150
Алгоритм роботи зарядного пристрою плеєра досить простий. Пристрій працює від акумулятора в автономному режимі. В основному циклі програми мікроконтролер здійснює пошук зовнішнього джерела живлення з виведення UOK. При підключенні USB-кабелю програвання поточного треку зупиняється, видається відповідна мовна команда, і мікроконтролер дозволяє роботу зарядного пристрою. Поки приєднаний USB, робота зарядного модуля дозволена. При зарядці мікроконтролер перевіряє прапор закінчення заряду DONE і відображає його стан за допомогою світлодіода. Також перевіряються прапори OT і FLT. У разі аварії видається мовна команда, мікроконтролер зупиняє роботу зарядного пристрою, і подальша робота буде можлива тільки після видалення зовнішнього джерела живлення. Видалення зарядного кабелю також супроводжується мовної командою.
Нижче представлений вихідний код зарядного модуля плеєра за представленим алгоритмом з використанням STM32F105 в середовищі Keil uVision на мові С з застосуванням стандартних бібліотек.
void main ()
{
GPIO_SetBits (GPIOА, GPIO_Pin_0); // PEN1 встановлений.
GPIO_SetBits (GPIOА, GPIO_Pin_1); // PEN2 встановлений.
GPIO_ResetBits (GPIOА, GPIO_Pin_2); // USUS скинутий, робота від USB. // Дана конфігурація встановлює значення зарядного струму 475 мА відповідно до таблиці 3
for (;;) // Робочий цикл
{
if ((GPIOE-> IDR & 0x100) >> 8! = 0x01) // Перевірка входу USB.
{
STATUS (2) // При зарядці ставиться на паузу.
PLAY (4); // Мовне повідомлення «USB підключений».
GPIO_ResetBits (GPIOA, GPIO_Pin_3); // CEN активний. Початок зарядки.
while ((GPIOE-> IDR & 0x100) >> 8! = 0x01) // Поки вхід USB підключений.
{
while (((GPIOC-> IDR & 0x10) >> 4! = 0x01) || ((GPIOE-> IDR & 0x200) >> 9! = 0x01)) // Перевіряємо входи FLT і OT.
{
PLAY (5); // Мовне повідомлення «Перегрів батареї».
GPIO_SetBits (GPIOA, GPIO_Pin_3); // CEN неактивний. Зупинка зарядки.
}
if ((GPIOB-> IDR & 0x02) >> 1! = 0x01) // DONE скинутий, закінчення заряду.
{
GPIO_ResetBits (GPIOB, GPIO_Pin_0); // включити світлодіод-індикатор.
}
else
{
GPIO_SetBits (GPIOB, GPIO_Pin_0); // вимкнути світлодіод-індикатор.
}
} // USB видалений
PLAY (7); // Мовне повідомлення «USB видалений».
STATUS (1); // Продовжуємо програвання по закінченню заряду.
GPIO_SetBits (GPIOA, GPIO_Pin_3); // Завершення зарядки при видаленні USB.
} // end if
} // end for
} // end main
висновок
У більшості виробників електронних компонентів є достатня кількість рішень для реалізації блоку заряду акумуляторів з різним набором контролюючих заряд / розряд параметрів і різним функціональним набором. При виборі алгоритму роботи блоку заряду і елементної бази необхідно пам'ятати про те, що контроль заряду / розряду - дуже складний процес, який має безліч підводних каменів. Помилки при проектуванні можуть не просто серйозно скоротити термін служби акумулятора, але і нести потенційну небезпеку, пов'язану з вибухом або займанням хімічного джерела живлення. У статті було наведено приклад використання контролера заряду, що дозволяє реалізувати безпечний блок заряду / розряду акумулятора, а також забезпечити харчуванням переносне автономний пристрій. Варто зазначити, що використання MAX8934 дозволяє реалізувати не просто зарядний пристрій згідно з рекомендаціями JEITA, але і замінює собою відразу кілька компонентів (контролер заряду, мультиплексор харчування, що підвищує перетворювач, високоефективний лінійний стабілізатор).
література
- Офіційний сайт компанії Maxim Integrated
- Офіційний сайт Japan Electronics and Information Technology Industries Association
- Документація на MAX8934
- The Basics of USB Battery Charging: A Survival Guide (TUTORIAL 4803)
- MOBILE POWER Product Guide .
