ЗУ для одного Ni-Mh аккумулятора
Эта самоделка, вернее в большей степени макетирование – ЗУ для Ni-Mh аккумулятора, способное работать в одном канале, то есть заряжать один единственный аккумулятор. Это будет полный и очень подробный обзор данной нативной китайской микросхемы, не содранной с чего либо, а являющейся самостоятельной разработкой. В документации производителя утверждается, что чип может обеспечивать ток зарядки до 1А, имеет защиту от перегрева, вход для контроля температуры аккумулятора, таймер зарядки, спящий режим и много других «полезных» с их точки зрения фишек. На известном ресурсе чип можно купить как отдельно, примерно 200р за 5 шт., так и в виде собранного модуля, за который просят примерно столько же.
Кроме того, я собрал всю разрозненную доступную документацию по этому чипу на сайте производителя и сделал более-менее удобоваримый перевод с комментариями.
Зарядное устройство будет работать на два независимых канала с подключением к USB порту компьютера или к зарядному устройству от телефона, т.е каждый аккумулятор контролируется своим чипом. Это удобно, если нужно зарядить "непарный" аккумулятор, который работает в каком-то устройстве один. Например, в брелоке сигнализации авто или в буфере с питанием какого-либо устройства, т.е. микросхему китайцы так же позиционируют удобной для применения в качестве «встраиваемого» приложения. Вообще производитель CONSONANCE (Shanghai Consonance Electronics Incorporated) производит целую линейку чипов для зарядки различных аккумуляторов, но поработав с одним из них, я не испытал особого восторга. Об этом в конце, так мое мнение является субъективным и каждый должен иметь возможность делать выводы самостоятельно. И так:
Общая информация по CN3085.
Небольшая часть "общих" параметров, переведенных с традиционного китайского)) -CN3085 предназначена для зарядки от 1 до 4 Ni-MH аккумуляторов (напряжения зарядки и пороги задаются резистивными делителями). Имеет встроенный силовой мосфет, схема исключает необходимость в защитном диоде и внешнем токоизмерительном шунте, требует минимальной обвязки, подходит для применения в портативных устройствах. Обратная связь по температуре ограничивает зарядный ток в режиме зарядки предельными токами и при высокой температуре окружающей среды.
CN3085 имеет встроенный источник опорного напряжения и высокоточный компаратор, позволяющий с высокой точностью поддерживать выходное напряжение и ток зарядки, а также точно устанавливать напряжение окончания зарядки. Ток заряда может быть задан одним внешним резистором. При отключении входного напряжения CN3085 автоматически переходит в спящий режим, потребляя от аккумулятора менее 3 мкА.
Среди других особенностей – блокировка зарядки при низком входном напряжении питания, автоматическая подзарядка, зарядка в режиме неизменного тока, капельная зарядка глубоко разряженных батарей, мониторинг температуры аккумулятора и кристалла, отключение зарядки по таймеру или при превышении температуры, индикация режимов работы.
CN3085 доступна в корпусах с термоинтерфейсом - 8-pin SOP8. (SOP8/PP).
Особенности:
Встроенный силовой MOSFET.
Точность напряжения：1%.
Режим "плавного старта" зарядки глубоко разряженных аккумуляторов для минимизации нагрева в процессе инициализации заряда.
Зарядный ток до 1A.
Режим заряда неизменным током для эффективной зарядки и постоянный контроль температуры для минимизации рисков перегрева аккумуляторов.
Режим ограничения потребления от аккумулятора при отключении источника питания (Power Sleep Mode).
Индикация режимов работы.
Прекращение зарядки по истечении заданного времени.
Режим автоматической подзарядки.
Контроль температуры аккумулятора.
Исполнение в корпусах SOP8/PP.
Pb-free технология, rohs compliant and Halogen free.
Абсолютные максимальные значения
Диапазон напряжений............ －0.3V to 6.5V
Макс. температура перехода …... 150℃
Работа в режиме КЗ............. непрерывная
Рабочая температура............ －40℃ to 85℃
Температура хранения........... от －65℃ до150℃
Температура пайки (10 сек.).... 260℃
Значения, превышающие указанные в разделе "Абсолютные максимальные значения", могут привести к необратимому повреждению устройства. Они даны только для оценки и функциональная работа устройства при этих или любых
других условиях, превышающих указанные в эксплуатационных разделах спецификаций, не подразумевается. Воздействие абсолютного максимального значения в течение длительного времени может повлиять на надежность устройства.
Описание работы
CN3085 - это микросхема зарядного устройства для одно-четырехэлементных никель-металлогидридных (NiMH) аккумуляторов. Устройство содержит встроенный МОП-транзистор и не нуждается во внешнем чувствительном резисторе (шунте) и блокирующем диоде. CN3085 требует минимального количества внешних компонентов, что очень подходит для портативных приложений.Цикл зарядки начинается, когда напряжение на выводе VIN поднимается выше уровня UVLO и превышает напряжение на выводе BAT, вывод индикации заряда выводит логический ноль, когда CN3085 находится в режиме предварительной зарядки, зарядки неизменным током и режиме подзарядки. В начале цикла зарядки, если напряжение на выводе FB ниже 0,843В, CN3085 находится в режиме предварительной зарядки, а ток заряда устанавливается на уровне 10% от неизменного тока заряда. CN3085 переходит в режим зарядки неизменным током, как только напряжение на выводе FB превышает 0,843 В, но находится ниже 1,083 В. В режиме неизменного тока ток заряда устанавливается с помощью резистора RISET на выводе ISET. CN3085 переходит в режим подзарядки, как только напряжение на выводе FB поднимается выше 1,083 В. Ток заряда в режиме подзарядки составляет 60 % от неизменного тока заряда. В режиме подзарядки запускается внутренний таймер, который устанавливает ограничение по времени для этого режима. Ограничение по времени программируется резистором и конденсатором на выводе RC. После истечения времени весь цикл зарядки завершается, ток зарядки прекращается, и вывод индикации режима принимает состояние с высоким импедансом, указывающее, что зарядка завершена.
CN3085 автоматически запустит новый цикл зарядки, если напряжение на выводе FB упадет ниже 87,3 % от максимального напряжения FB. Когда входное напряжение отсутствует, CN3085 переходит в спящий режим, снижая ток разряда батареи до менее, чем 3мкA. Это значительно уменьшает ток разряда аккумулятора и увеличивает время ожидания.
Типовой график зарядки и алгоритм работы показан ниже:
Блокировка работы при низком напряжения источника питания (UVLO).
CN3085 имеет внутреннюю схему определения напряжения питания. Когда напряжение питания ниже порогового значения, микросхема выключается, и зарядка прекращается.
Напряжение обратной связи и напряжение на аккумуляторе.
На вывод FB подается напряжение с аккумулятора через делитель,
образуемый резисторами R3 и R4. Напряжение определяет режим заряда. Напряжение на выводе FB имеет следующее соотношение с напряжением на клемме аккумулятора：
V(BAT)=VFB x(1+R3/R4).
Максимальное напряжение на аккумуляторe.
Это напряжение на клемме аккумулятора, которого может достичь батарея в процессе зарядки. Признаком полностью заряженной батареи не обязательно является незначительное снижение напряжения на клеммах ближе к окончанию заряда. В CN3085 контролируется заранее рассчитанное напряжение, достигнув которого микросхема будет удерживать его на этом уровне, контролируя ток зарядки на уровне, не превышающем 60% от заданного тока режима зарядки «стабильным током». Это является защитным механизмом от перезаряда батареи. Когда батарея не подключена, напряжение на выводе BAT становится высоким, и если ток нагрузки меньше 5 mA – выход индикации режима заряда CHRG переходит в состояние с высоким импедансом.
Режим сна.
CN3085 уходит в спящий режим, когда входное напряжение VIN меньше напряжения на клемме аккумулятора на 35 мВ. Когда входное напряжение VIN поднимается выше напряжения на клемме аккумулятора на 82 мВ, зарядное устройство выходит из спящего режима и переходит в нормальное рабочее состояние.
Режим капельной зарядки.
Если напряжение на выводе FB ниже 0,843В, то есть напряжение батареи ниже 70 % от максимального напряжения на клемме батареи, CN3085 находится в режиме капельной зарядки, отдавая ток в 10% от тока в режиме заряда «стабильным током».
Режим заряда «стабильным током».
Когда напряжение на выводе FB составляет от 0,843 В до 1,124В, то есть напряжение батареи составляет от 70 % до 90 % от самого высокого напряжения на клемме батареи, то CN3085 переходит в режим зарядки неизменным «стабильным током».
Формула расчета неизменного зарядного тока такова:
I_CH = 1218 В / R I_set., где I_CH - зарядный ток в амперах.
R Iset - сопротивление между выводом I_set и землей (GND) в Омах.
Например, если требуется зарядный ток в 1 Ампер, то：
R I_set =1218 В/1A = 1,218 кОм.
Для обеспечения хорошей стабильности и температурных характеристик в качестве R Iset рекомендует использовать металло-пленочные резисторы с точностью 1%.
Режим подзарядки.
Когда напряжение на выводе FB превышает 1,124В, то есть, когда напряжение батареи превышает 93,3 % от максимального напряжения на выводе FB, CN3085 переходит в режим подзарядки.
Во время этой фазы зарядки активируется внутренний таймер, и зарядное устройство переходит в состояние окончания зарядки после истечения времени.
Время таймера определяется по следующей формуле：
T(s)=2654×R5×C1+4980×C1×1000.
T(s) время в секундах.
R5 – в Омах (диапазон значений составляет от 20кОм до 1М. За пределами этого
диапазона точность таймера ухудшается).
C1 – емкость в Фарадах (значение должно быть больше 1nF - точность таймера ухудшается при меньших значениях. Если в качестве времязадающего конденсатора используется многослойный керамический конденсатор, то лучше использовать конденсатор емкостью 1 мкФ или 2,2 мкФ, типоразмера 0805 или 1206.
Напряжение окончания зарядки неизменным стабильным током.
Как показано на рисунке 1, напряжение батареи подается на вывод FB через делитель, образованный резисторами R3 и R4. CN3085 определяет режим зарядки на основе напряжения на выводе FB. Как только напряжение на выводе FB поднимается выше 1,083В, CN3085 прекращает зарядку стабильным током и переходит в режим подзарядки, в этот момент соответствующее напряжение на выводе BAT определяется следующим уравнением:
VBAT = 1,205 × 90 % × (1 + R3/R4)
(в китайском "датаЩите" другая формула: VBAT＝1.124×(1＋R3／R4))
Это напряжение отключения зарядки неизменным током является очень важным параметром, так как если оно установлено слишком низким, то для полной зарядки аккумулятора в режиме подзарядки потребуется больше времени. Если оно установлено слишком высоким, режим неизменного тока зарядки может не завершаться из-за того, что напряжение батареи Ni-MH может немного упасть, когда она почти заряжена. Следовательно, это напряжение должно быть тщательно рассчитано.
При проектировании необходимо учитывать внутреннее сопротивление батареи и сопротивление дорожек печатной платы, ведущих к клеммам аккумулятора.
На этапе зарядки стабильным током зарядный ток протекает через резисторы RB и RW, что приводит к падению напряжения VR. Если предположить, что реальное напряжение батареи в это время равно VBAT, то напряжение на клемме батареи CN3085 равно VBAT+VR, что на самом деле не отражает реального напряжения на клеммах батареи. Поэтому, когда фаза зарядки неизменным током заканчивается, истинное напряжение батареи не достигает установленного значения, что может привести к тому, что батарея будет не дозаряжена.
Поэтому при установке напряжения прекращения зарядки неизменным током следует компенсировать внутреннее сопротивление батареи и эквивалентное сопротивление провода, чтобы заряд батареи был как можно более полным. Метод компенсации заключается в добавлении падения напряжения на сопротивлениях RB и RW во время этой фазы к напряжению полной зарядки аккумулятора в качестве напряжения окончания зарядки неизменным током. То есть, если предположить, что напряжение батареи равно VBAT при полной зарядке, а внутреннее сопротивление батареи и падение напряжения на проводе равны VR, то напряжение окончания зарядки постоянного тока должно быть:
VCCT＝VBAT＋ВР, где:
VCCT - это напряжение прекращения зарядки неизменным током.
VBAT - это напряжение, при котором батарея полностью заряжена.
VR - это падение напряжения, создаваемое зарядным током на внутреннем
сопротивлении батареи, и эквивалентное сопротивление провода во время фазы зарядки неизменным током.
В реальном устройстве нет необходимости измерять внутреннее сопротивление батареи и эквивалентное сопротивление провода. VR можно узнать с помощью простого эксперимента. Сначала измерьте напряжение между положительным и отрицательным электродами батареи, когда батарея отключена; затем подключите батарею к зарядной цепи, и переведите CN3085 в режим зарядки постоянным током, а затем измерьте напряжение между 5-м выводом CN3085 и землей (GND). Разница в напряжении между двумя измерениями - это падение напряжения на внутреннем сопротивлении батареи и эквивалентное сопротивление провода во время зарядки постоянным током.
Повторный цикл зарядки.
После окончания зарядки, когда с течением времени напряжение батареи упадет до 90 % от максимального напряжения батареи, (когда на выводе FB напряжение снизится до 1.084V(90% от максимального на выводе FB) - начнется новый цикл зарядки. Вы также можете начать новый цикл зарядки, отключив входное напряжение, а затем включив его.
Это основные, но далеко не все моменты из документации производителя, поэтому получившийся достаточно объемным и несколько корявым перевод я прикрепляю в формате PDF здесь:
Практическая реализация зарядного устройства.
Схема, по которой был собран каждый канал устройства для зарядки двух аккумуляторов типоразмера AAA от USB порта компьютера или зарядного устройства от телефона -
Она практически повторяет приведённую в документации, за исключением узла индикации.
Монтаж и комплектующие.
Все элементы - для поверхностного монтажа, размер резисторов 1206, полярные конденсаторы - танталовые, остальные - керамические 1206. Индикация – RGB светодиод 5050. Резисторы в делителях с допуском 1%, диод на входе питания – для гашения части входного напряжения. Печать двусторонняя (не привожу в виду простоты схемы), одна сторона для монтажа чипов и радиатора, другая – для обвязки, индикации и отсеков для аккумуляторов типоразмера ААА.
NTC термисторы закреплены в боковой стенке отсеков аккумуляторов.
(Позднее были залиты каплей эпоксидного компаунда)
Корпус склеен из пластика молочного цвета, пропускающего свет.
Резюме.
Все параметры были точно рассчитаны, а элементы - подобраны. Никаких отклонений от документации и рекомендаций производителя. Зарядное устройство функционирует, причем правильно, но имеет ряд недостатков.Во-первых, работающие в линейном режиме мосфеты чипов здорово греются. Нужно максимально снижать входное напряжение, но даже при требуемых минимальных 3,5В на выводе 4 для зарядки одного аккумулятора – чипы греются значительно, и это снижение не особо помогает с температурным режимом чипа даже при небольших токах зарядки. Несмотря на монтаж с отдельной стороны и достаточно большой радиатор, при этом токе микросхемы греются так, что нагревают даже аккумуляторы, которые заряжают, и термистор периодически отрубает зарядный ток. Т.е. для компактных зарядных устройств они не совсем подходят.
Во-вторых – таймер (таймер в любом ЗУ – в принципе неизменное ЗЛО). Время дозарядки заранее рассчитывается исходя из емкости планируемых к зарядке аккумуляторов. И если с током можно допускать вариации и заряжать, скажем аккумуляторы емкостью 1000 и 2500 мА/ч одним и тем же током в 0,3А, то таймер, рассчитанный на первый АКБ, не позволит полностью зарядить второй. А если рассчитать время исходя из второй емкости – первая может оказаться перезаряженой.
Надеюсь, данная информация поможет кому-то сделать свои выводы, я же решил отказаться от такого «спец. решения» от китайских разработчиков и думаю сейчас над другим несложным, но функциональным вариантом для зарядки одного Ni-Mh элемента.
