Схема контроллера литий-ионного аккумулятора

Устройство и принцип работы защитного контроллера Li-ion/polymer аккумулятора

Оригинал статьи здесь.
Если расковырять любой аккумулятор от сотового телефона, то можно обнаружить, что к выводам ячейки аккумулятора припаяна небольшая печатная плата. Это так называемая схема защиты, или Protection IC. Из-за своих особенностей литиевые аккумуляторы требуют постоянного контроля. Давайте разберёмся более детально, как устроена схема защиты, и из каких элементов она состоит.

Рядовая схема контроллера заряда литиевого аккумулятора представляет собой небольшую плату, на которой смонтирована электронная схема из SMD компонентов. Схема контроллера 1 ячейки («банки») на 3,7V, как правило, состоит из двух микросхем. Одна микросхема управляющая, а другая исполнительная – сборка двух MOSFET-транзисторов.

На фото показана плата контроллера заряда от аккумулятора на 3,7V.

Микросхема с маркировкой DW01-P в небольшом корпусе – это по сути «мозг» контроллера. Вот типовая схема включения данной микросхемы. На схеме G1 — ячейка литий-ионного или полимерного аккумулятора. FET1, FET2 — это MOSFET-транзисторы.

Типовая схема включения микросхемы DW01-P

Цоколёвка, внешний вид и назначение выводов микросхемы DW01-P.

Транзисторы MOSFET не входят в состав микросхемы DW01-P и выполнены в виде отдельной микросхемы-сборки из 2 MOSFET транзисторов N-типа. Обычно используется сборка с маркировкой 8205, а корпус может быть как 6-ти выводной (SOT-23-6), так и 8-ми выводной (TSSOP-8). Сборка может маркироваться как TXY8205A, SSF8205, S8205A и т.д. Также можно встретить сборки с маркировкой 8814 и аналогичные.

Вот цоколёвка и состав микросхемы S8205A в корпусе TSSOP-8.

Два полевых транзистора используются для того, чтобы раздельно контролировать разряд и заряд ячейки аккумулятора. Для удобства их изготавливают в одном корпусе.

Тот транзистор (FET1), что подключен к выводу OD (Overdischarge) микросхемы DW01-P, контролирует разряд аккумулятора – подключает/отключает нагрузку. А тот (FET2), что подключен к выводу OC (Overcharge) – подключает/отключает источник питания (зарядное устройство). Таким образом, открывая или закрывая соответствующий транзистор, можно, например, отключать нагрузку (потребитель) или останавливать зарядку ячейки аккумулятора.

Давайте разберёмся в логике работы микросхемы управления и всей схемы защиты в целом.

Защита от перезаряда (Overcharge Protection).

Как известно, перезаряд литиевого аккумулятора свыше 4,2 – 4,3V чреват перегревом и даже взрывом.

Если напряжение на ячейке достигнет 4,2 – 4,3V (Overcharge Protection Voltage — VOCP), то микросхема управления закрывает транзистор FET2, тем самым препятствуя дальнейшему заряду аккумулятора. Аккумулятор будет отключен от источника питания до тех пор, пока напряжение на элементе не снизится ниже 4 – 4,1V (Overcharge Release Voltage – VOCR) из-за саморазряда. Это только в том случае, если к аккумулятору не подключена нагрузка, например он вынут из сотового телефона.

Если же аккумулятор подключен к нагрузке, то транзистор FET2 вновь открывается, когда напряжение на ячейке упадёт ниже 4,2V.

Защита от перезаряда (Overdischarge Protection).

Если напряжение на аккумуляторе падает ниже 2,3 – 2,5V (Overdischarge Protection Voltage— VODP), то контроллер выключает MOSFET-транзистор разряда FET1 – он подключен к выводу DO.

Далее микросхема управления DW01-P перейдёт в режим сна (Power Down) и потребляет ток всего 0,1 мкА. (при напряжении питания 2V).

Тут есть весьма интересное условие. Пока напряжение на ячейке аккумулятора не превысить 2,9 – 3,1V (Overdischarge Release Voltage — VODR), нагрузка будет полностью отключена. На клеммах контроллера будет 0V. Те, кто мало знаком с логикой работы защитной схемы могут принять такое положение дел за «смерть» аккумулятора. Вот лишь маленький пример.

Миниатюрный Li-polymer аккумулятор 3,7V от MP3-плеера. Состав: управляющий контроллер — G2NK (серия S-8261), сборка полевых транзисторов — KC3J1.

Аккумулятор разрядился ниже 2,5V. Схема контроля отключила его от нагрузки. На выходе контроллера 0V.

При этом если замерить напряжение на ячейке аккумулятора, то после отключения нагрузки оно чуть подросло и достигло уровня 2,7V.

Чтобы контроллер вновь подключил аккумулятор к «внешнему миру», то есть к нагрузке, напряжение на ячейке аккумулятора должно быть 2,9 – 3,1V (VODR).

Тут возникает весьма резонный вопрос.

По схеме видно, что выводы Стока (Drain) транзисторов FET1, FET2 соединены вместе и никуда не подключаются. Как же течёт ток по такой цепи, когда срабатывает защита от перезаряда? Как нам снова подзарядить «банку» аккумулятора, чтобы контроллер опять включил транзистор разряда — FET1?

Дело в том, что внутри полевых транзисторов есть так называемые паразитные диоды – они являются результатом технологического процесса изготовления MOSFET-транзисторов. Вот именно через такой паразитный (внутренний) диод транзистора FET1 и будет течь ток заряда, так как он будет включен в прямом направлении.

Если порыться в даташитах на микросхемы защиты Li-ion/polymer (в том числе DW01-P,G2NK), то можно узнать, что после срабатывания защиты от глубокого разряда, действует схема обнаружения заряда — Charger Detection. То есть при подключении зарядного устройства схема определит, что зарядное устройство подключено и разрешит процесс заряда.

Зарядка до уровня 3,1V после глубокого разряда литиевой ячейки может занять весьма длительное время — несколько часов.

Чтобы восстановить литий-ионный/полимерный аккумулятор можно использовать специальные приборы, например, универсальное зарядное устройство Turnigy Accucell 6. О том, как это сделать, можно узнать здесь.

Именно этим методом мне удалось восстановить Li-polymer 3,7V аккумулятор от MP3-плеера. Зарядка от 2,7V до 4,2V заняла 554 минуты и 52 секунды, а это более 9 часов! Вот столько может длиться «восстановительная» зарядка.

Кроме всего прочего, в функционал микросхем защиты литиевых аккумуляторов входит защита от перегрузки по току (Overcurrent Protection) и короткого замыкания. Защита от токовой перегрузки срабатывает в случае резкого падения напряжения на определённую величину. После этого микросхема ограничивает ток нагрузки. При коротком замыкании (КЗ) в нагрузке контроллер полностью отключает её до тех пор, пока замыкание не будет устранено.

Причины неисправностей зарядного устройства мобильника

Наиболее частой причиной выхода из строя ЗУ является небрежное отношение к нему при эксплуатации.

Ремонт зарядного устройства для телефона

Возможные причины поломок блока зарядки мобильника

1.Обрыв провода у штекера и у основания блока зарядки. Надломить провода можно при включенной зарядке во время разговоров.

Вытаскивать штекер из гнезда телефона нужно не за провод, а за корпус штекера.

2.Выход из строя элементов электронной платы зарядного устройства. Очень часто зарядку оставляют включенной в сеть, и не вынимают из розетки. При этом вся электронная плата зарядного устройства постоянно находится под напряжением, что снижает срок службы радиоэлементов платы.

Неправильный порядок включения и отключения зарядного устройства также приводит к преждевременному износу элементов блока.

Если отключать телефон от зарядного устройства под напряжением, происходят резкие броски напряжения, которые превосходят предельно допустимые рабочие напряжения элементов. Это обусловлено переходными процессами, возникающими в ЗУ при снятии нагрузки (отключении телефона) под напряжением. При правильной эксплуатации ЗУ телефон подключают и отключают на выключенной зарядке.

Полевой транзистор с изолированным затвором

MOSFET транзистор

На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n — переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые). Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел — полупроводник) обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO2). Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик — полупроводник).

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

Что же это такое MOSFET ?

MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзисторы J-FET также являются полевыми транзисторами, но управление таким транзистором осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. Эти транзисторы в отличие от MOSFET имеют немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку МДП-транзисторы бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

• Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.
• Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому «+»), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.
• Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO2). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом (+) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В транзисторе обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому транзистор пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET транзисторов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO2). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET-транзисторы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись “Power MOSFET” или похожую. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.

Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому — напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологий изготовления полевых транзисторов удалось избавиться от этой проблемы. Современные полевые транзисторы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора.

Адаптер для зарядки телефона в салоне автомобиля

Схемотехника рассматриваемого адаптера для зарядки от прикуривателя автомобиля не претендует на оригинальность и использует очень распространенную микросхему MC34063. Однако, печатная плата разработана под маленький корпус Z-43 и занимает мало места. Данный проект будет полезен тем, кто все же хотел бы самостоятельно изготовить зарядное устройство для телефона для автомобиля нежели покупать готовое устройство, так как суммарная стоимость устройств возможно будет одинаковой.

Итак, перейдем к схеме устройства:

Схема построена на микросхеме DC/DC преобразователя MC34063, микросхема используется в корпусе DIP-8, так как рассеиваемая мощность в таком корпусе чуть больше, чем в корпусе SO-8 — так чуть надежнее. Резисторы R2 и R3 образуют обратную связь с выходом схемы, как таковые резисторы образуют делитель напряжения. При этом на пятом выводе микросхемы всегда поддерживается напряжение 1,25 вольта, это значит, что выходное напряжение напрямую зависит от сочетания номиналов в делителе напряжения:

А из этого следует, что можно точно рассчитать выходное напряжение. Если нам нужно получить на выходе 5 вольт, то необходимо произвольно выбрать номинал одного резистора — пусть это будет 1000 Ом, тогда расчет другого резистора будет выглядеть так:

Если бы номиналы получались не столь «красивыми», то необходимо было бы задать в начале другой номинал и заново рассчитать второй резистор.

Резистор R1 используется на подобие предохранителя — при превышении номинального тока микросхемы он отключит ее. Так как номинал этого резистора мал, то его можно собрать из нескольких резисторов, подключенных в параллель друг другу. На печатной плате это предусмотрено. Конденсатор С3 задает частоту работы преобразователя. Остальные конденсаторы выполняют функцию фильтрации на входе и на выходе. Чем больше номинал конденсатора С5, тем меньше будут пульсации на выходе. Важным параметром у нас является миниатюрность, поэтому в схеме был использован конденсатор емкостью 1000 мкФ, выпаянный с материнской платы на 6.3 вольта. Диод VD1 должен быть быстрым (Шоттки). И дроссель должен выбираться также не только исходя из его индуктивности, но от тока, который он может пропускать длительное время без разрушения. В данной схеме дроссель рассчитанный на 1 ампер вполне подойдет. Разъем на выходе схемы ставится типа USB-A (мама). На входе ставится разъем обычный для питания подходящего диаметра для вас, тип разъема также мама. Таким образом на выходе можно подключить стандартный USB кабель для вашего телефона или другого устройства. Вход схемы подключается через переходник прикуривателя автомобиля. Вообще это дело можно немного упростить и подключить разъем прикуривателя просто подпаиванием проводов к плате, а не использовать разъем.

Как было указано, корпус используется Z-43. Печатная плата с установленными компонентами занимает все пространство корпуса. В корпусе необходимо сделать два отверстия — для USB разъема и для входного напряжения. На фото нижняя крышка немного подпилена для плотного закрывания по причине габаритов разъема для подключения прикуривателя. Небольшая притирка, так сказать. При условии отказа от использования разъема по входу напряжения занимаемый объем в корпусе немного уменьшится и отверстие можно сделать меньше для пропукания провода внутрь корпуса, чтобы подпаяться к контактам на плате. Данная вариация с разъемом зависит от того, что есть в наличии (мне было жалко резать провод прикуривателя, поэтому использовал такой разъем).

На печатной плате в Sprint Layout на синем слое (М1) обозначена перемычка. На готовой печатной плате эта перемычка выполнена синим проводом.

Готовый адаптер выглядит так:

Размер вполне компактный получился.

Адаптер в рабочем положении:

Характеристики адаптера:

• входное напряжение — 12 В
• выходное напряжение — 5 В
• частота преобразования — 85 кГц
• ток выходной части — 500 мА (можно увеличить до 750 мА, заменив резистор R1 на 0,2 Ом — это будет максимальный ток, допустимый микросхемой)
• КПД ~ 70-75 %

К статье прилагается печатная плата в программе Sprint-Layout 6, а также проект протеус для симуляции работы схемы преобразователя.

Прикрепленные файлы:

• DC-DC 12 — 5V корпус.lay (23 Кб)
• dc-prot.rar (19 Кб)

Биполярный транзистор с изолированным затвором

В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ. БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.

IGBT транзистор — это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что этот тип транзистора унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.

Суть работы IGBT транзистора заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным транзистором. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой управляющей мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.

Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.

Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n — канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.

История появления БТИЗ.

Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого транзистора с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.

Несколько позже, в 1985 году был представлен биполярный транзистор с изолированным затвором, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.

Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобные недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.

Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ max) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах.

Поскольку IGBT транзистор имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор — З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.

На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Транзистор также может изображаться со встроенным быстродействующим диодом. Также IGBT транзистор может изображаться следующим образом:

Принципиальная схема

Рис. 1. Схема стабилизатора напряжения на +5В.

Рис. 2. Схема DC-DC преобразователя напряжения на микросхеме MC34063A.

Схема, показанная на рисунке 2 работает как импульсный источник, и при нормальном режиме работы рассеивает очень незначительную мощность.

Здесь совершенно нет ничего, чему требуется отвод тепла. Кроме того, что она имеет очень высокий КПД, такая схема позволяет собрать адаптер в виде очень легкой и компактной конструкции.

Конечно, есть и минус, — схема значительно сложнее, содержит много деталей, суммарная стоимость которых существенно больше цены КР142ЕН5А и пары конденсаторов.

Подключается «зарядка» к прикуривателю автомобиля. Диод VD1 на всякий случай защищает схему от неправильной полярности входного напряжения (вдруг прикуриватель меняли, и подключили неправильно). Стабилитрон VD2 — защита от коротких импульсов высокого напряжения, которые могут быть в сети не очень нового автомобиля.

На микросхеме А1 собраны основные узлы преобразователя, — генератор импульсов, регулятор их ширины и измерительный компаратор, сравнивающий выходное напряжениє с опорным, вырабатываемым внутренним стабилизатором микросхемы.

Вход компаратора, — вывод 5. На него подается напряжение с выхода схемы через делитель на резисторах R4-R6. Коэффициент деления зависит от положения движка подстроечного резистора R5. Этим резистором при настройке преобразователя устанавливают требуемое выходное напряжение (в данном случае это 5V).