Когда речь заходит об автономных зарядных устройствах для одноэлементных аккумуляторов, на ум приходит только одно популярное название – наша универсальная микросхема TP4056 для зарядки Li-Ion и Li-Po аккумуляторов. Она широко распространена и имеет множество функций, связанных с защитой аккумулятора. Литиевые аккумуляторы легко купить вместе с соответствующими решениями для зарядки, но когда дело доходит до зарядки от солнечных батарей, в Интернете можно найти лишь несколько проектов на микроконтроллерах. Но я хотел создать автономный модуль зарядного устройства для солнечных батарей, и, к счастью, нашел одно решение у компании Consonance – CN3165. Как и в микросхеме TP4056, ток заряда может программироваться одним внешним резистором.
Встроенные функции включают блокировку при пониженном напряжении, автоматическую подзарядку, зарядку постоянным током, режим поддержания заряда (завершение по таймеру), индикаторы зарядки/завершения и контроль температуры батареи. Режимы и процесс зарядки аккумулятора описаны ниже со всеми подробностями.
CN3165 и ее особенности
CN3165 – это законченное линейное зарядное устройство, поддерживающее режимы стабилизации тока и напряжения, для одноэлементных литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов. Устройство содержит встроенный силовой MOSFET и не нуждается во внешнем токоизмерительном резисторе и блокировочном диоде. Встроенный адаптивный элемент может автоматически регулировать зарядный ток в зависимости от выходной мощности входного источника питания, поэтому CN3165 идеально подходит для систем, работающих на солнечных батареях.
Тепловая обратная связь регулирует зарядный ток, чтобы ограничить температуру кристалла во время работы на большой мощности или при высокой температуре окружающей среды. Напряжение стабилизации внутренне установлено на уровне 4.2 В с точностью до 1%; его также можно увеличить с помощью внешнего резистора. Зарядный ток можно установить одним внешним резистором. При отключении входного напряжения устройство автоматически переходит в спящий режим с низким энергопотреблением, уменьшая ток разряда аккумулятора менее чем до 3 мкА.
Основные характеристики микросхемы:
- Подходят для систем с питанием от солнечных батарей
- Интегрированный силовой MOSFET
- Не требуются внешний измерительный резистор и блокировочный диод
- Предустановленное с точностью 1% напряжение стабилизации 4.2 В с возможностью увеличения с помощью резистора
- Непрерывный зарядный ток до 1 А
- Режимы постоянного тока и постоянного напряжения
- Автоматический переход в спящий режим с низким энергопотреблением при отключении входного напряжения питания
- Индикация статуса для подключения светодиодов или микроконтроллера
- Завершение зарядки током C/10
- Автоматическая перезарядка
- Измерение температуры батареи
Принципиальная схема
Я прочитал техническое описание, в котором описывается схема применения с добавлением некоторых функций защиты. Эта схема показана на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Схема применения из технического описания CN3165. |
Здесь нам понадобятся резистор для установки максимального выходного тока зарядки аккумулятора, конденсатор на клемме аккумулятора для подавления помех от источника питания и пара светодиодов для индикации зарядки аккумулятора и режима готовности. При работе с одиночным элементом питания вывод обратной связи напрямую подключен к клемме аккумулятора и непрерывно контролирует напряжение аккумулятора для автоматического возобновления зарядки и отключения питания. Одну микросхему можно использовать для зарядки более одного аккумулятора суммарным током до 1 А, подключив к выводу обратной связи делитель напряжения.
Модифицированная схема
Я модифицировал схему, добавив некоторые внешние защитные функции (Рисунок 2). Я добавил вход USB Type-C, супрессор для подавления любых всплесков напряжения на выходе солнечной батареи и прямосмещенный диод для защиты от обратной полярности включения, что можно увидеть на схемах.
 |
|
| Рисунок 2. | Модифицированная схема зарядного устройства. |
В Секции 2 размещена сама микросхема с двумя резисторами установки режимов зарядки, светодиодные индикаторы и несколько блокировочных конденсаторов.
В Секции 3 выходной сигнал выведен на штыревой разъем, а использованная схема защиты – та же, что рекомендуется для микросхемы TP4056. Все это оформлено в виде конструкции небольшого объема.
Печатная плата
При реализации этого проекта на аппаратном уровне учитывались все проблемы, связанные с помехами и стабильностью. Дорожки рассчитаны таким образом, чтобы выдерживать максимальный ток, а значит, обеспечивать максимальную мощность и снижать тепловые эффекты. Два встроенных светодиодных индикатора позволяют следить за состоянием зарядки аккумулятора. А чтобы свести к минимуму влияние секции коммутации на вход и выход, печатная плата сконструирована с учетом направления прохождения тока от входа к выходу. Я сохранил форм-фактор платы для TP4056, что делает эту конструкцию более практичной и удобной для использования в качестве автономного устройства зарядки аккумуляторов.
Монтаж печатной платы
При сборке платы лучше всего начинать с монтажа микросхем и разъема USB, поскольку их контактные площадки паять вручную труднее всего. Затем небольшие конденсаторы, резисторы и дроссель (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Собранная печатная плата. |
Режимы зарядки литий-ионных аккумуляторов
Давайте рассмотрим подробнее, что происходит в схеме в процессе зарядки литий-ионных аккумуляторов.
Капельная подзарядка
Капельная подзарядка (также известная как предварительная зарядка) происходит в два этапа. Это своего рода функция защиты аккумулятора, которая включается только в том случае, если батарея каким-либо образом разряжается.
Скажем, если номинальное напряжение составляет 3.7 В, а аккумулятор разряжен слишком сильно (например, ниже 2.8 В), сначала выполняется восстановительная зарядка, чтобы предотвратить повреждение аккумулятора чрезмерным током. В это время программа еще не запущена, и этот процесс контролируется аппаратно. Под «капельной подзарядкой» на этом этапе понимается процесс зарядки после чрезмерного разряда аккумулятора и до того, как он вернется к исходному напряжению. Ток при капельной подзарядкой составляет 1/10 от максимального зарядного тока, то есть 0.1C (если максимальный ток зарядки составляет 1 А, то ток капельной подзарядкой равен 100 мА).
Обычно под капельной подзарядкой подразумевается процесс зарядки, продолжающийся в течение определенного времени. Она является разновидностью зарядки постоянным напряжением с ограничением величины зарядного тока; как только напряжение аккумулятора достигает своего нормального значения (3.7 В), режим капельной подзарядки отключается и включается режим зарядки постоянным током.
Зарядка постоянным током и постоянным напряжением
Во время стандартного процесса зарядки аккумулятор заряжается постоянным током, равным максимальному току зарядки. Поскольку напряжение аккумулятора постоянно повышается, процесс переключается на зарядку постоянным напряжением (около 4.15 В), когда напряжение приближается к установленному максимальному напряжению. С этого момента ток постепенно уменьшается, пока не достигнет 1/10 от максимального зарядного тока, после чего процесс зарядки завершается. Режим зарядки постоянным напряжением используется для поддержания работоспособности аккумулятора и предотвращения его ускоренной деградации.
Номинальный ток заряда указывается на аккумуляторе и определяется значением C. C – это способ представления тока относительно номинальной емкости батареи. Например, если емкость аккумулятора составляет 1000 мА·ч, то зарядный ток 1C равен 1000 мА (1 А).
Завершение зарядки
Существует два типичных критерия (метода) прекращения зарядки: по минимальному зарядному току и по таймеру (или их комбинация). При методе минимального тока контролируется зарядный ток на этапе зарядки постоянным напряжением, и процесс зарядки прекращается, когда зарядный ток снижается до 0.02C-0.07C. При втором методе запускается отсчет времени, когда начинается этап зарядки постоянным напряжением, и через два часа непрерывной зарядки процесс завершается. В современную эпоху зарядка мобильных устройств не прекращается, даже если индикатор заряда показывает 100%; в это время зарядка продолжается очень малым током, чтобы увеличить общий ресурс аккумулятора.
Тестирование и работа
После сборки я включил плату с блоком питания, установленным на максимальный ток 100 мА, чтобы ничего не повредить, если что-то пойдет не так. Но все заработало с первого раза, все соединения были правильными; однако перед включением питания всегда проверяйте целостность линий VCC и GND. Итак, я подключил литий-ионный аккумулятор, разряженный до 3.9 В, с максимальным напряжением зарядки 4.2 В. Установил зарядный ток по умолчанию. Номинальный ток зарядки должен соответствовать номинальной емкости аккумулятора, поэтому я всегда рекомендую использовать аккумулятор с высоким значением C и заряжать его током 3 А. См. Рисунки 4 и 5.
 |
|
| Рисунок 4. | Зарядка от солнечной батареи. |
При максимальном напряжении и токе зарядки аккумулятора выделяется очень мало тепла, что соответствует 94%-ному КПД этой микросхемы. Я также протестировал все функции защиты, и все они работают нормально. Всегда рекомендуется проверять выходное напряжение платы, которое для литий-ионного аккумулятора должно быть в диапазоне 4.15-4.22 вольта.
 |
|
| Рисунок 5. | Простая зарядка. |
Материалы по теме
- Datasheet Consonance CN3165
- Datasheet Youtai TP4056
- Datasheet Fortune FS312F-G
- Datasheet Fortune FS8205A
- Datasheet Littelfuse SMAJ90CA
- Datasheet Yangzhou Yangjie SS34AQ
