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 V_O(MIN), то предварительный низкий ток для зарядки аккумулятора можно регулировать с помощью внешнего резистора. Когда напряжение батареи достигает V_O(MIN), контроллер переходит в состояние быстрого заряда, при этом зарядный ток также задается внешним резистором. Когда напряжение батареи поднимается до конечного, когда заряд окончен V_O(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 V_o(RCH), то процесс заряда аккумулятора повторяется в следующем цикле.

В целях безопасности может использоваться контроль температуры на основе термистора, встроенного в батарею.

Максимально допустимые параметры:

Электрические параметры (T_A = 25°C):

[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 V_DD или высокому логическому уровню. Может быть один из следующих двух случаев включения SL1051, когда может начаться процесс зарядки:

а) Питание V_DD подается, после чего подключен литиевый аккумулятор (V_BATT < V_O(REG)).
б) Подключен литиевой батареи (V_BATT < V_O(REG)), после чего подано питание V_DD.

Предзаряд. Если начальное напряжение литиевой батареи ниже, чем порог предварительного заряда V_O(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 V_O(MIN), контроллер SL1051 переключается в режим постоянного тока зарядки. Ток через батарею I_O(REG) регулируется по падению напряжения V_I(SNS) на резисторе R_CS.

          V_IN(SNS)
I_O(REG) = --------
            R_CS

Заряд постоянным напряжением. Когда напряжение на батарее достигает V_O(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 V_TS, поступающее на вывод TS контроллера, находится между пределами V_TS1 и V_TS2. Когда V_TS выходит за эти пределы, т. е. V_TS < V_TS1 или V_TS > V_TS2, то это означает, что температура батареи слишком высокая или слишком низкая, и процесс зарядки приостанавливается. V_TS восстанавливает свой нормальный уровень между V_TS1 и V_TS2, когда температура батареи нормальная, и тогда зарядка продолжается.

Индикация заряда выводом STAT показана в таблице ниже. 

Перезапуск заряда. После того, как напряжение на батарее понизится ниже V_O(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 R_CS 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.

[Ссылки]

1. Контроллер заряда литиевой батареи SL1053.
2. MCP73831/2 - Miniature Single-Cell, Fully Integrated Li-Ion, Li-Polymer Charge Management Controllers site:microchip.com.