Однажды на работе (в то время я работал разработчиком систем охлаждения лазеров), ко мне пришёл мой начальник и сказал:
Нам срочно нужно сделать автономную систему охлаждения одного устройства. Я хочу чтобы ты сделал полностью автономную систему термостабилизации
На это я сразу сел и составил список не опробованных и новых для меня вещей, которые я должен сделать перед тем, как выкатить новое устройство. Дело с самими системами у меня обстояли хорошо, а вот с автономностью была полная беда:
Я никогда до этого не делал автономные устройства и LI-ion аккумулятор был для меня редкостью, и только в 1-ом экземпляре.
Тут же сел за компьютер и углубился в познание всего того что «умельцы и профессионалы» делаю, чтобы получить устройство с аккумуляторным питанием. Достаточно быстро я наткнулся на статьи о том, что такое литиевые аккумуляторы, как их идеально можно и нужно заряжать чтобы не падали характеристики аккумуляторов. Оказалось, что почти все крупные производители микросхем и интегрированных сборок выпускают свои контроллеры заряда аккумуляторов разных типов, но зайдя на сайты магазинов торгующих через интернет пришёл к мнению, что их красивые и хорошие контроллеры стоят денег и в наших магазинах их практически нету. Но, зайдя на алиэксперсс, я быстро нашёл не самые новые решения, зато доступные. Самым дешёвым чипом, который мне предлагал сайт, был на тот момент (2014г) контроллер заряда батарей LTC4054, которых я и купил с дуру 50-т штук. В итоге ко мне приехали чипы показанные на рисунке 1.
Обоснование выбора данного контроллера.
Мой выбор, по обсуждению со знакомыми, казался весьма странным, но после того как я привёл вот такую аргументацию многие из них поняли меня и тоже их заказали:
• Контроллер позволяет заряжать как Li-Ion так и Li-Pol аккумуляторы без значительной потери ёмкости последних.
• Работает с зарядными токами до 800мА. В теории это позволяет заряжать аккумуляторы ёмкостью до 8000мАч. Это прям огромная ёмкость которая не у всех PowerBank-ов то есть.
• Рабочий ток регулируется всего одним резистором. Это удобно, подумал я. Спустя время я понял, что это стандарт.
• Встроенная тепловая защита от перегрева контроллера. Крайне полезная тема, позволяющая не раскалить вашу микросхему до красна и в некоторых случаях избежать проблем короткого замыкания (КЗ).
• Встроенный силовой ключ для зарядки батарейки.
• Минимум деталей помимо контроллера. По даташиту требовался лишь фильтрующий конденсатор и резистор программирования рабочим током. Чисто технически их можно использовать в корпусе для SMD монтажа 0603/0402, что благоприятно влияет на размеры устройства и стоимость сборки (минимум точек пайки)
• Контроллер занимает на плате минимальное место (корпус sot23-5 размерами 2,8х2,9 мм)
• Есть встроенная индикация начала и конца зарядки (которую можно и не паять), которая приятно сообщает о том, что контроллер начал заряжать батарейку и о том, что он закончил.
• Корпус конечно SMD, но лапки у него сбоку, а не под ним. Это позволило достаточно просто его паять на платы обычным паяльником и не заморачиваться с обдувом феном с прогревом платы.
• Чисто технически пин управления внешним светодиодом можно законтачить с ножкой микроконтроллера и делать отключение МК при работе от зарядки, но я как то до сих пор эту сторону не проверил.
• Ну прям очень низкая стоимость (мне они достались по 12 рублей за штуку), тогда я думал что это дорого, но это копейки по сравнению со стоимостью аккумуляторов.
• Контроллер судя по даташиту достаточно был старый (2003г) и я думал что он прям отработанный. Посмотрев эту тему в интернете я нашёл, что даже в некоторых телефонах его использовали. Современное состояние цен.
Дело в том, что в последствии мои читатели сказали, что «от производителя» данные микросхемы идут дороже, чем я купил с Китая. Зайдя на популярный сервис Диджикей я вдруг прочитал, что микросхемы достаточно дорогие = 1,82$ (обращение в апреле 2017г). не знаю с чем это связано. Возможно с моральным устареванием и проблемами, описанными ниже по тексту, возможно мне в Китае продали остатки от крупной партии которые не потребовались установочной машине, и эти детали списали как остатки.
Первое включение
Чисто технически я достаточно быстро(всего за 3 месяца, так как было много другой работы) разработал и запаял себе микро плату, на которой испытал данный контроллер в деле. К сожалению фото данной платы у меня не осталось, но потом я делал плату с защитой для 18650 + LTC4054 + BMS(DW01a) и могу вам её показать на рисунке 2.
После подключения к блоку питания порядка 15 секунд всё было прям отлично, а потом началось снижение токов. Контроллер перегревался. В разводке платы я не учёл, что она работает как линейный стабилизатор и разницу между +5V по входу и 2,4…4,2В на выходе переводит в тепло на заданном токе. При установленном мною токе в 600мА на начале заряда полностью севшего аккумулятора на микросхеме выделялось 2 Вт тепла. Судя по даташиту она должна была прогреться на +300*С, но включилось ограничение по температуре кристала и ток был снижен.
Честно говоря это происходило пульсациями, так как данная защита компараторного типа, которые могут приводить даже к выходу неподготовленной электроники из строя, о чём я снял видео:
Решение нашлось очень быстро, и при помощи плоского зажима для бумаги я легко отвёл тепло от микросхемы и она показала запрограммированный ток. В дальнейших решениях я как только не старался отвести тепло печатной платой. Пожалуй самый лучший в этом плане вариант я привожу в качестве примера на рисунке 3. Там я буквально от каждой ножки отвожу тепло полигоном. Даже от средней ножки земли 9через металлизированные отверстия на другую сторону платы. При таком решении я пробовал работу аккума при рабочем токе в 550мА!!!! В серийных моделях я конечно сбавляю ток резистором до 300мА, прилично снижая температуру корпуса и делая возможность его работы в замкнутых и герметичных корпусах.
Большее значение токов достигалось при помощи последнего варианта с обдувом воздуха и закреплённой скрепкой для бумаг. Там я снимал токи до 800мА, после чего контроллер почему-то уходил в защиту по току.
Заряжал я при этом всё от своего блока питания, и бед не знал. После этого меня уволили с той работы (кризис и мои кривые руки) и за эту тему я взялся через год под ещё один проект:
Там я воткнул всё это дело к USB разъёму и получилось не плохо, заряжалось. Там была куча других проблем, с которыми я боролся, но потом переключившись на другие проекты просто забросил. Это достаточно ранние мои познания в этой области и тут всё работало на зарядном токе порядка 200 мА. Дальше не позволяло тепло.
После этого мне потребовалось собрать мои последние устройства, которыми я прям доволен. Я почти не раздумывая установил туда LTC4054. И, всё было снова здорово. Аккумуляторы заряжались, удалось собрать всё в корпус, но в виде отведения тепла было ещё не всё так идеально (250-270 мА), но уже близко. Всё работало с USB-MINI разъёмом и я прям не беспокоился о этом узле устройства. Наглядно его можно посмотреть на рисунке 5.
Но, прогресс не остановить, и мой друг попросил меня немного его доработать:
• Нам пришёл фантастически удобный новый корпус
• Хотелось учесть ряд огрехов в ВЧ части и повысить чувствительность
• Хотелось снизить габариты и использовать другие дисплеи.
После этого у меня, путём кучи работы появилась версия 2, показанная на рисунке 6. С ней оказалось, что я исправил все остальные огрехи, но почему-то не работала система зарядки и питания. Грешить на TPS63000 я не стал, я по сему я продолжил изучать возможности LTC4054.
Новый виток.
И снова столкнулся с тем, что пришлось писать в компанию производитель микросхем. На этот раз письмо было отправлено в Linear Technology, с просьбой объяснить, что делать если их микросхема приводит к проблемам. Описание сути проблемы: Есть контроллер зарядки Liion аккумуляторов LTC4054 от 5-ти вольтовой линии. При коммутации его с любой стандартной 5-ти вольтовой зарядкой BMS(защита аккумулятора) отключалась по сигналу OverCharge. Экспериментальным путём было выявлено: что при подключении отключённого от сети 220В блока питания, а затем запуска с уже присоединённой платой зарядки, BMS в защиту не уходило и начиналась стандартная зарядка.
Как было позже выяснено — это влиял фильтрующий конденсатор, который генерировал искру и высоковольтный (7 вольт) выброс (свойство блоков питания), который и приводил к нужному срабатываю защиты (данный конденсатор на схеме показан зелёным смотри рисунок 6).
В даташите есть чёткое описание необходимости этого момента:
Positive Input Supply Voltage. Providespower to the charger. VCC can range from 4.25V to 6.5V and should be bypassed with at least a 1µF capacitor.
После этого контроллер LTC4054 естественно не видел аккумулятор, и выдавал почти даташитовские 100 мВ на ножке PROG и 1.4 В на линии батарейки.
Разобравшись в этой проблеме, я удалил конденсатор с платы, после чего всё стало хорошо. Зарядка хорошо работает, но остался вопрос: зачем Linear Technology указывают его в даташите, если он приводит к неработоспособности устройства? Собственно именно этот вопрос я и задал производителям из LT, и жду ответа.
На письмо мне так и не ответили, но я отправил копию подписчикам своего сообщества, где получил мощнейшую дискуссию по данной проблеме, откуда я пришёл к заключению:
1. В разъёме контакты находятся близко друг к другу, что создаёт значительную индуктивность, препятствующую протеканию больших импульсных токов
2. Конденсатор можно удалить, ничего страшного в этом нету. При длине шнура более 30 см всё работает нормально.
По заключению всё работало, но труда и нервов это стоило много. Теперь о данной проблеме я в курсе, стараюсь сейчас испытать метод защиты устройства от данной проблемы при помощи ограничивающего резистора. Как только испытаю допишу тут.
Итог.
По всему вышеописанному хочу сказать, что сейчас с некоторой опаской отношусь к данному контроллеру заряда батареек. Есть ряд более дешёвых, и не сильно более громоздких контроллеров заряда по типу MCP73833, которые так-же можно применять в своих разработках, но которые выпущены раньше (чем 2003 год) и за такие же деньги позволяют больший функционал/выше зарядные токи/обеспечивают работу ряда хитрый функций, но:
• на текущий момент это всё ещё доступное открытое и понятное решение, которое можно найти в интернете, и которое стоит своих денег
• Наличие кучи встроенных защит скорее отключит устройство, чем причинит вред аккумулятору
• Работать с ним было одно удовольствие, хотя нагрев немного портит картину.
• Даташит составлен очень здорово. Есть почти всё, что может потребоваться начинающему инженеру, судя по приложению.
• Цена в Китайских магазинах до сих пор остаётся на уровне 4-5 рублей за штуку.
p.s. Старался написать всё как есть и то, что разобрал по ходу. Надеюсь было полезно.
