Jste zde

Nabíjecí obvody Li-ion akumulátorů pro rozhraní USB

Ondřej Karas, 12. Leden 2009 - 14:28

V jedné ze svých konstrukcí, kde byla jako zdroj napájení využita Li-ion baterie, jsem se dostal k problému jak ji nabíjet. Přestože GSM modul, který byl v konstrukci požit, poskytoval tuto funkci, požadavky na napájení, které měl, byly nevyhovující. Protože ale bylo zařízení propojováno s PC prostřednictvím USB, bylo možné využít k napájení ale také nabíjení právě toto rozhraní. Následující článek uvádí stručné shrnutí obvodů, které se staly žhavými kandidáty pro tuto úlohu.

MAX1811

MAX1811 není na trhu žádnou novinkou, neoplývá ani nijak zázračně nízkou cenou (4,61USD/kus – Digikey). Přesto se jedná o velmi zajímavý obvod. MAX1811 je jednoduchý nabíječ Li-ion akumulátorů, který může být napájen přímo z USB portu PC (nebo z USB hubu), případně z externího zdroje 6.5V. Nabíječ vyžaduje minimum externích komponent. Má zabudován FET dovolující nabíjecí proud až 500mA. Velikost proudu, stejně tako konečné nabíjecí napětí je možné nastavit. (Jsou dvě možné volby koncového napětí 4.1 a 4.2 voltu.

MAX1811 je možné zakoupit nebo získat jako vzorek v pouzdru SO-8.

Obrázek 1: Typické zapojení obvodu MAX1811

Volbu koncového nabíjecího napětí obstarává vstup SELV. Je-li nulován, je koncové napětí 4.1V, je-li nastaven, pak je koncové nabíjecí napětí zvoleno na 4.2V. Volbu nabíjecího proudu je možné provést prostřednictvím vstupu SELI (0-100mA, 1-500mA). Jak je patrné ze schématu, jedinými externími komponentami je výstupní filtrační kondenzátor (2.2uF) a samotná nabíjená baterie. Výstupní filtrační kondenzátor by měl být umístěn co nejblíže baterii. Je možné také připojit LED pro indikaci stavu nabíjení. Je také vhodné zapojení doplnit o vstupní filtrační kondenzátor o hodnotě 4.7uF. Kondenzátor můžeme vynechat, případně nahradit menším, pokud využíváme napájení z USB. (po splnění podmínek daných obrázkem 2). Jestliže je ale obvod napájen AC adaptérem, je filtrační kondenzátor nezbytný. Využívejte keramické kondenzátory.

Snad jedinou nevýhodou tohoto obvodu je absence vstupu pro testování teploty akumulátoru. S jistou dávkou obezřetnosti při nabíjení je ale tato vlastnost jednoduše postradatelná.

Obrázek 2: Ukázka využití nabíjecího obvodu

LM3658 – konkurence od National Semiconductor

Obdobným obvodem disponuje také konkurence National Semiconductors. Obvod LM3658 rovněž umožňuje dvojí napájení (AC adaptér a USB). Pro obě napájení jsou vyhrazeny zvláštní vstupy, přepínání mezi nimi je automatické. Prioritu má samozřejmě AC adaptér. Při napájení ze střídavého zdroje je možné volit nabíjecí proud externím rezistorem v rozsahu 50-1000mA. Při napájení prostřednictvím USB je možné volit mezi 100mA a 500mA. U tohoto obvodu už ale není možné volit koncové nabíjecí napětí. Je napevno nastaveno na 4.2V.

Obvod pracuje v několika režimech. Jako zdroj konstantního napětí, zdroj konstantního proudu, režim údržby a v případě připojeného AC adaptéru a odpojeného akumulátoru pracuje v režimu LDO regulátoru.

Na rozdíl od předchozího obvodu disponuje LM3658 vstupem pro termočlánek a množstvím čítačů omezujících různé režimy nabíjení. Pro mnoho domácích kutilů bude ale velmi nevhodným pouzdro, ve kterém je nabíječ usazen.

Obrázek 3: Typické zapojení obvodu LM3658

Volba nabíjecího proudu (USB_sel = 0 – 100mA; USB_sel=1 – 500mA)

Volba nabíjecího proud při připojeném AC adaptéru je prováděna rezistorem připojeným k pinu Iset. Nabíjecí proud je definován rovnicí:

Obrázek 4: Výpočet nabíjecího proudu

Dle katalogového listu je hodnota K rovna 2500.

TI a jeho BQ24020

I Texas Instruments má v této oblasti své želízko v ohni. Tím je integrovaný obvod BQ24020 a další. I tento obvod poskytuje možnost připojit dva druhy napájení (AC adaptér a USB). Je konstruován pro aplikace s omezeným prostorem. Pouzdro je shodné s předchozím obvodem LM3658. Stejně jako obvod od National Semiconductors umožňuje volit při napájení z USB mezi proudy 100mA a 500mA a při napájení AC adaptérem lze nastavit nabíjecí proud externím rezistorem.

Nabíjení sestává ze tří fází. Přípravné, nabíjení konstantním proudem a nabíjení konstantním napětí (takto nabíjí i obvod LM3658). Nabíjení tedy končí s minimálním nabíjecím proudem. Pokud po dokončení nabíjení klesne z nějakých příčin napětí pod stanovenou mez, probíhá nabíjení znovu.