Компания SiliconLake выпустила недорогой линейный контроллер для заряда литий-ионных батарей SL1051, который попался мне в зарядном устройстве электронных сигарет Pons. Там стояло целых 2 таких микросхемы - SL1051B.
Основные возможности контроллера SL1051:
• Предназначен для устройства зарядки литий-ионного или литий-полимерного аккумулятора, состоящего из одной энергетической ячейки. • Точность контроля и регулировки напряжений не хуже 1%. • Для стадии предварительной зарядки, пользователь может изменить ток предварительного заряда. • Имеется стадия заряда постоянным током, ток зарядки регулируется. • Имеется завершающая стадия заряда постоянным напряжением. • Во время зарядки может контролироваться температура батареи. • Есть выход для индикации состояния зарядки светодиодом (LED). • Контроллер может обнаружить аномальное состояние батареи и отключиться. • Требуется низкое напряжение питания. Контроллер имеет низкое энергопотребление в спящем режиме. Ток утечки от батареи очень мал. • Требуется минимальное количество внешних компонентов. • Миниатюрный корпус MSOP8 или SOP8.
SL1051 является специальным высокоточным контроллером заряда литиевых батарей, который работает по линейному принципу. Это недорогая микросхема, идеально подходящая для дешевых портативных зарядных устройств. Контроллер SL1051 сочетает в себе высокую точность предварительной зарядки, постоянный зарядный ток, постоянное напряжение зарядки, проверку состояния аккумулятора, контроль температуры, низкий ток утечки, когда батарея поддерживается в заряженном состоянии. Микросхема контроллера может широко использоваться в маломощных КПК, мобильных телефонах, портативных переносных устройствах и других областях.
SL1051 управляет процессом заряда с помощью определения напряжения батареи. Различают состояния предварительной зарядки, постоянного тока зарядки, постоянного напряжения зарядки. Когда напряжение аккумулятора меньше порогового напряжения VO(MIN), то предварительный низкий ток для зарядки аккумулятора можно регулировать с помощью внешнего резистора. Когда напряжение батареи достигает VO(MIN), контроллер переходит в состояние быстрого заряда, при этом зарядный ток также задается внешним резистором. Когда напряжение батареи поднимается до конечного, когда заряд окончен VO(REG) (как правило 4.2V), контроллер переходит в состояние постоянного напряжения зарядки, которое определяется с точностью не хуже ±1%. В этом состоянии ток зарядки будет постепенно уменьшаться, и когда ток заряда упадет меньше порогового значения, то зарядка завершается. После окончания зарядки контроллер будет проверять напряжение на батарее, и когда оно окажется меньше порогового значения Vo(RCH), то процесс заряда аккумулятора повторяется в следующем цикле.
В целях безопасности может использоваться контроль температуры на основе термистора, встроенного в батарею.
Вывод
Назначение
VDD
Плюс питания.
TS
Вход для подключения датчика контроля температуры. Входное напряжение должно быть между VTS1 и VTS2, в противном случае контроллер считает, что температура батареи превышает допустимый диапазон.
STAT
Индикатор состояния заряда, сюда через резисторы можно подключить светодиоды для отображения состояния зарядки. Во время зарядки на выходе высокий уровень напряжения относительно GND. После завершения зарядки выход будет подтянут к GND. Когда с батареей есть проблема или температура, которую показывает TS, превышает заданный диапазон, выход переключается в состояние высокого сопротивления.
GND
Земля, общий провод, минус питания.
CC
Выход для управления регулирующим транзистором. Соединяется либо с базой биполярного транзистора структуры PNP, либо с затвором полевого транзистора PMOS.
CE
Управление зарядкой.
CS
Вход для выбора тока зарядки. Ток заряда определяется падением напряжения на резисторе - датчике тока, подключенном между между источником питания и входом регулирующего элемента (эмиттер биполярного транзистора или исток полевого).
BATT
Вход для обнаружения батареи.
Максимально допустимые параметры:
Параметр
Значение
VDD
-0.3V .. +7.5V
Температура хранения
-65°C .. 150°C
Рассеиваемая мощность PD (TA = 25°C)
300mW
Температура кристалла
150°C
Рабочая температура TA
-40°C .. +125°C
Защита от статического электричества (ESD HBM)
2KV
Электрические параметры (TA = 25°C):
Параметр
Обозначение
Условия испытаний
Min
Typ
Max
Ед.
Рабочий ток
IDD(OPE)
4.5V < VDD < 7.5V (за исключением внешней нагрузки)
-
1
2
mA
Ток утечки через контроллер в режиме ожидания (сон)
IDD(sleep)
VBATT - VDD ≥ 0.2V
-
-
3
μA
Входной ток вывода BATT
IBATT
VBATT=VO(REG), VBATT-VDD≥0.2V
-
1.5
2.6
μA
Входной ток вывода TS
ITS
VTS=5V, VBATT-VDD≥0.2V
-
-
1.1
μA
Входной ток вывода CS
ICS
VCS=5V, VBATT-VDD≥0.2V
-
-
1.1
μA
Входной ток вывода CE
ICE
VCE=5V, VBATT-VDD≥0.2V
-
-
1.1
μA
CE лог. 0
VCE
-
-
1.2
V
CE лог. 1
VCE
VDD-1.2V
-
-
V
Выходное регулируемое напряжение
VO(REG)
4.160
4.20
4.240
V
Порог напряжения для регулирования тока зарядки
VI(SNS)
По отношению к VDD, VI(SNS)=VDD-VCS
95
110
125
mV
Precharge (предварительный заряд), напряжение на клеммах CS
V(PRE)
V(PRE) относительно VDD, V(PRE)=VDD-VCS
4
14
24
mV
Напряжение порога предварительной зарядки
VO(MIN)
2.7
2.9
3.1
V
Напряжение порога перезарядки
VO(RCH)
VO(REG) -170mV
VO(REG) -110mV
VO(REG) -50mV
V
Напряжения порога окончания зарядки
V(TERM)
по отношению к VDD, V(TERM)=VDD-VCS
2
12
22
mV
STAT, низкий уровень
VSTAT(LOW)
IOL=10mA
-
0.4
0.6
V
STAT, высокий уровень
VSTAT(HIGH)
IOH=5mA
VDD-0.5V
-
-
V
Напряжение порога низкой температуры
VTS1
29
31
33
%VDD
Напряжение порога высокой температуры
VTS2
57.5
59.5
61.5
%VDD
[Схемы включения, описание функционирования]
На рис. 1a и 1b показана схема с силовым регулирующим элементом на транзисторе PMOS, и на рис. 2 схема с силовым транзистором PNP. Схемы 1a и 1b отличаются подключением индикационных светодиодов. Рис. 3 показывает график тока и напряжения в процессе заряда. По горизонтальной оси условно показано время, по вертикальной ток (синий график) и напряжение (красный график).
Рис. 1a. Схема зарядного устройства на полевом транзисторе с P-каналом.
Рис. 1a. Схема зарядного устройства на полевом транзисторе с P-каналом.
Рис. 3. Диаграммы тока и напряжения процесса заряда.
Процесс заряда можно разделить на несколько стадий - обнаружение аккумулятора, предзаряд, заряд постоянным током, заряд постоянным напряжением, окончание заряда, перезапуск заряда.
Обнаружение аккумулятора. Вывод CE подключен к VDD или высокому логическому уровню. Может быть один из следующих двух случаев включения SL1051, когда может начаться процесс зарядки:
а) Питание VDD подается, после чего подключен литиевый аккумулятор (VBATT < VO(REG)). б) Подключен литиевой батареи (VBATT < VO(REG)), после чего подано питание VDD.
Предзаряд. Если начальное напряжение литиевой батареи ниже, чем порог предварительного заряда VO(MIN), то сначала контроллер входит в фазу предварительной зарядки (Precharge). На данном этапе ток приблизительно постоянный, и он равен примерно 10% от максимального тока, который течет на стадии зарядки постоянным током.
Заряд постоянным током. Когда напряжение батареи достигает VO(MIN), контроллер SL1051 переключается в режим постоянного тока зарядки. Ток через батарею IO(REG) регулируется по падению напряжения VI(SNS) на резисторе RCS.
VIN(SNS) IO(REG) = -------- RCS
Заряд постоянным напряжением. Когда напряжение на батарее достигает VO(REG), то есть батарея почти заряжена, контроллер переходит в фазу зарядки постоянным напряжением. На этом этапе напряжение батареи больше не растет, а ток зарядки постепенно уменьшается.
Мониторинг температуры. На протяжении всего процесса зарядки SL1051 через вывод TS контролирует температуру с помощью термистора, встроенного в батарею, как показано на рисунке 5. Отслеживание температуры происходит в режиме реального времени. Это позволяет избежать ситуаций, когда температура батареи слишком низкая или слишком высокая, что может повредить батарею или представлять опасность для потребителя.
При нормальных обстоятельствах напряжение VTS, поступающее на вывод TS контроллера, находится между пределами VTS1 и VTS2. Когда VTS выходит за эти пределы, т. е. VTS < VTS1 или VTS > VTS2, то это означает, что температура батареи слишком высокая или слишком низкая, и процесс зарядки приостанавливается. VTS восстанавливает свой нормальный уровень между VTS1 и VTS2, когда температура батареи нормальная, и тогда зарядка продолжается.
Мы можем определить в соответствии с диапазоном заданной температуры номиналы резисторов RT1 и RT2. Предположим, что для контроля температуры используется термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), и диапазон рабочих температур находится между температурами TL (низкая температура) и TH (высокая температура). Т. е. для термистора с отрицательным коэффициентом его сопротивление будет RTL > RTH. Напряжение на входе TS при низкой температуре будет равно:
RT2RTL VTSL = ---------- * VDD RT1 + RT2RTL
Соответственно для высокой температуры напряжение на выводе TS будет равно:
RT2RTH VTSH = ---------- * VDD RT1 + RT2RTH
Примем как допущение, что в первом случае для VTSL=VTS2 и напряжение VDD умножается на коэффициент k2, и для VTSH=VTS1 и напряжение VDD умножается на коэффициент k1, тогда получим следующие формулы для номиналов резисторов RT1 и RT2:
Как видно из формул, для мониторинга температуры диапазон напряжения питания не имеет значения, важны только соотношения RT1, RT2, RTH, RTL, где номиналы RTH и RTL могут быть получены из соответствующей документации на батарею или с помощью экспериментальной проверки.
Для отключения функции проверки температуры Вы можете установить резисторы RT1 = RT2 и отключить термистор, просто подключив вывод TS к точке соединения резисторов RT1 и RT2.
Индикация заряда выводом STAT показана в таблице ниже.
Режим SL1051
Состояние выхода STAT
Зарядка
Высокий уровень
Зарядка окончена
Низкий уровень
Проблема с температурой батареи или CE в низком уровне (контроллер SL1051 находится в режиме сна)
Выход отключен (высокое сопротивление)
Перезапуск заряда. После того, как напряжение на батарее понизится ниже VO(RCH), произойдет перезапуск зарядки, и контроллер перейдет в режим заряда постоянным током.
[Замечания по использованию]
Выбор силового элемента - транзистор PMOS или PNP. SL1051 может управлять PNP или PMOS транзистором для регулирования зарядного тока. При выборе транзистора PNP или PMOS следует рассматривать максимально допустимый ток, максимально допустимую рассеиваемую мощность и рабочее напряжение. Максимальная рассеиваемая мощность будет в режиме зарядки постоянным током, её можно вычислить по формуле:
PD(MAX) = I(SNS) * (VDD - 0.1V - 2.8V)
Здесь минимальное падение напряжения на датчике тока RCS составляет 0.1V, минимальное напряжение предварительного заряда 2.8V.
Выбор входных и выходных конденсаторов. Между выводами питания VDD и заземления важно поставить керамический конденсатор емкостью порядка 0.1 мкф. Между VBATT и GND рекомендуется поставить конденсатор 1 мкф. Он поможет сохранить напряжение на некоторое время, пока батарея не установлена.
