Компактное решение для систем подзарядки Li-Ion и Li-полимерных аккумуляторов

А. Архипов
Новости Электроники 6, 2008

Наиболее распространенные в настоящее время аккумуляторы – это Li-Ion- и Li-полимерные перезаряжаемые накопители энергии, обладающие лучшими характеристиками в отношении емкость/размер/вес. В статье рассказывается о последних достижениях компании Freescale в производстве элементной базы для систем подзарядки таких аккумуляторов.

Многие производители электронных портативных устройств стараются располагать микросхемы зарядки аккумуляторов внутри производимого устройства, решая при этом сразу две важные задачи. Во-первых, исключается возможность использования некачественного зарядного устройства и, во-вторых, решается проблема подзарядки аккумулятора от стандартных источников напряжения, например, USB-интерфейса, который очень часто используется для подзарядки плееров, мобильных телефонов и Bluetooth-гарнитур. В этом случае, по причине высокой плотности электронных компонентов на плате портативного устройства, перед разработчиками встает вопрос об использовании максимально интегрированного решения для процесса зарядки аккумулятора.

Компания Freescale представила новое семейство микросхем, разработанных по технологии SMARTMOSTM специально для целей заряда Li-Ion или Li-полимерных аккумуляторов. Семейство сотоит из трех микросхем: MC34671, MC34673 и MC34674. Они представляют собой полностью интегрированные готовые решения для построения систем подзарядки Li-Ion и Li-полимерных одноэлементных аккумуляторов (см. таблицу 1).

Таблица 1. Сравнительные характеристики

Микросхема	Вых. напря- жение, В	Вых. ток, A	Входное напря- жение (min), В	Входное напря- жение (max), В	Защита
MC34671	4,2	0,6	4,3	10	От высокого входного напряжения, перегрева
MC34673	4,2	1,2	4,3	6,6	От высокого входного напряжения, перегрева микросхемы
MC34674	4,2	1,05	4,3	10	От высокого входного напряжения, перегрева микросхемы и аккумулятора

Как видно из таблицы, микросхемы различаются по максимальному току заряда, максимальному входному напряжению при котором возможна зарядка, а также типу используемого датчика температуры для контроля заряда аккумулятора. Отметим основные отличительные особенности данных микросхем:

• Не требуется дополнительных внешних элементов,
• Зарядный ток до 1,2 А,
• Нестабильность выходного напряжения не хуже ±0,7% в температурном диапазоне от -20 до 70°C,
• Точность поддержания выходного тока не хуже ±5% в температурном диапазоне от -40 до 85°C,
• Максимальное входное напряжение 28 В,
• Программируемое значение зарядного тока,
• Возможность зарядки полностью разряженных аккумуляторов,
• Мониторинг тока заряда аккумулятора,
• Ультракомпактный корпус 2х3UDFN (см. рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид корпуса 2х3UDFN

Широкий входной диапазон питающего напряжения позволяет создавать системы, которые не боятся временных выбросов напряжения, а также подачи напряжения несоответстующего значения на вход микросхемы, не превышающее 28 В.

Рис. 2. Функциональные блоки семейства МС34674

На рисунке 2 представлена функциональная схема MC34674, содержащая следующие блоки:

• Internal Supply - внутренний источник опорного напряжения для собственных нужд;
• Vin Monitor - блок слежения за величиной входного напряжения;
• Charge Control - блок формирования управляющего напряжения на затворе силового транзистора в зависимости от режима заряда;
• End of Charge (EOC) - блок мониторинга тока заряда для прекращения процесса заряда аккумулятора по току;
• Die Temperature Feedback - датчик температуры кристалла микросхемы (если температура достигает определенного значения, то выходной ток уменьшается с целью предотвращения перегрева);
• Smart Battery Detection - блок проверки правильности подключения аккумулятора перед зарядом, а также во время заряда;
• NTC thermistor interface - интерфейс для подключения внешнего датчика тепературы аккумулятора;
• Logic - блок управления и индикации процесса заряда аккумулятора.

Рассмотрим более подробно процесс заряда Li-Ion аккумулятора на примере микросхемы МС34673. Принципиальная схема подключения МС34673 представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема подключения МС34673

Как уже было сказано выше, Li-Ion и Li-полимерный аккумуляторы требуют особого режима заряда, состоящего из трех этапов: «капельная» зарядка (сильно разряженного аккумулятора), зарядка постоянным током и дозарядка при постоянном напряжении, при этом в процессе заряда тщательно контролируется величина тока и напряжения заряда (см. рис. 4).
 

Рис. 4. Профиль заряда Li-Ion аккумулятора

Процесс заряда аккумулятора начинается при условии, что входное напряжение как минимум больше напряжения аккумулятора на 60 мВ и лежит в пределах от 3,0 В до 6,8 В (для МС34673), а на входе EN присутствует низкий уровень напряжения. При этом, если подключен сильно разряженный аккумулятор с напряжением ниже 2,7 В, то заряд начинается с так называемого режима «капельной зарядки», пока не будет достигнуто напряжение аккумулятора 2,7 В, затем наступает режим заряда постоянным током, величина которого задается внешним резистором Riset. Как только величина напряжения на аккумуляторе достигает значения 4,2 В, наступает режим заряда постоянным напряжением величиной 4,2 В, при этом ток заряда постепенно начинает падать. Как только будет достигнуто пороговое значение Ieoc, процесс заряда аккумулятора заканчивается, но микросхема продолжает поддерживать выходное напряжение на уровне 4,2 В, питая при этом устройство пользователя. Если наступает режим потребления устройством большего тока, чем отдает микросхема, то в этом случае энергия начинает поступать от аккумулятора, при этом напряжение начинает падать. Как только напряжение снижается на 100 мВ относительно уровня 4,2 В, наступает режим заряда постоянным током, т.е. максимальным током отдачи зарядного устройства, до тех пор пока напряжение не станет прежним.

Если в процессе заряда происходит нагрев кристалла микросхемы до температуры 110°C, микросхема автоматически уменьшает ток заряда, во избежание дальнейшего нагрева и разрушения кристалла. Величину зарядного тока следует выбирать исходя из значений питающего напряжения, температуры окружающей среды и площади теплоотвода, на который припаивается корпус микросхемы. Рекомендации по выбору перечисленных параметров подробно изложены в документации на микросхемы.

Важной особенностью микросхемы МС33674 является возможность регулирования тока заряда аккумулятора в зависимости от его температуры. В данном случае в аккумулятор должен быть интегрирован датчик температуры на основе NTC-термистора, подключаемый к микросхеме по схеме, показанной на рис. 5.

Рис. 5. Подключение аккумулятора с внутренним NTC-термистором

Если говорить о способах реализации схемотехники зарядного устройства, то существует два варианта построения системы подзаряда аккумуляторов на базе микросхем семейства МС3467x. Первый: микросхема используется как отдельное устройство заряда аккумулятора (см. рис. 6).
 

Рис. 6. Схема автономного устройства заряда аккумулятора

В данном случае пользователь может контролировать процесс заряда по двум индикаторным светодиодам, подключенным к выходам PPR (входное напряжение в «норме») и CHG (режим работы) (рис. 4). Величина тока заряда в этом случае задается с помощью резистора подключенного к выходу ISET.

Второй вариант построения системы - это использование микросхемы МС3467х в качестве ведомого устройства (см. рис. 7).

 

Рис. 7. Схема подключения МС3467х к микроконтроллеру

В данном случае все логические входы/выходы микросхемы заводятся на микроконтроллер.

В качеcтве отладочных плат разработчика предлагаются два набора KIT34671EPEVBE и KIT34673EPEVBE.

Таким образом, рассмотренное семейство микросхем МС3467х для заряда Li-Ion и Li-полимерных аккумуляторов удовлетворяет всем современным требованиям рынка портативных и переносных устройств по габаритам, степени интеграции и функциональности. Оно также позволяет создавать устройства с минимальным вложением денежных средств и затрат времени на разработку.