Журнал "Новости Электроники", номер 15, 2009 год.

Журнал "Новости Электроники", номер 15, 2009 год.Интегральные схемы управления зарядом аккумуляторов производства MaximАндрей Никитин В современных сложных портативных электронных устройствах использование невосстанавливаемых батарей становится экономически неэффективным═√ на длительном промежутке времени суммарная стоимость необходимого количества разовых батарей многократно превышает стоимость одного аккумулятора. В статье рассматриваются основные типы аккумуляторов, применяемых в мобильной электронной технике, а также интегральные схемы управления батарейным питанием (Battery Management), выпускаемые компанией Maxim Integrated Products.

 

Электрический аккумулятор - это химический источник тока многоразового действия. Он используется для накопления энергии и автономного питания различных электронных устройств. Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путем его заряда, то есть при пропускании тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, последовательно соединенных в одну электрическую цепь, часто называет аккумуляторной батареей. Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита.

Рассмотрим основные параметры аккумуляторов и аккумуляторных батарей:

Удельная электроемкость. Измеряется в Вт.час/кг. Характеризует скорее тип аккумулятора, а не его конкретную модель. Поскольку первоначальной областью применения кислотно-свинцовых (Lead Acid) аккумуляторов были стартерные батареи для автомобильного транспорта и аварийные источники электроэнергии, по своим массогабаритным характеристикам совсем не миниатюрные, то в единице измерения традиционно присутствует именно килограмм (хотя применительно к аккумуляторам мобильных устройств это вызывает удивление). Используются также схожие характеристики: удельная мощность- Вт/кг и удельная энергоплотность- Вт.час/литр.Номинальное напряжение элемента (или ЭДС), измеряемое в Вольтах. Также характеризует тип аккумулятора.Емкость аккумулятора (или аккумуляторной батареи), измеряемая в А.час. Данный параметр характеризует конкретное изделие.Номинальное напряжение аккумуляторной батареи, измеряемое в Вольтах. Также характеризует конкретное изделие.Количество циклов заряд-разряд (по сути- срок службы изделия). Ксожалению, данные различных производителей сложно сравнивать: одни под сроком службы понимают количество циклов, после которых первоначальная емкость падает на 80%, другие- 50 или 30%.Саморазряд аккумулятора, измеряемый в %/месяц. Даже при отсутствии подключенной нагрузки заряд аккумулятора с течением времени непрерывно уменьшается.Ток нагрузки (пиковый и оптимальный).Диапазон рабочих температур (как правило, для разряда).

В современной электронной технике наиболее распространены следующие типы аккумуляторов:

Никель-кадмиевые (NiCd);Никель-металлогидридные (Ni-MH);Литий-ионные (Li-Ion);Литий-полимерные (Li-Pol).

Рассмотрим коротко особенности каждого из них. Никель-кадмиевый аккумулятор - химический источник тока, электрохимическая система которого устроена следующим образом: анодом является металлический кадмий (в виде порошка), электролитом - гидроксид калия с добавкой гидроксида лития, катодом - гидрат окиси никеля с графитовым порошком. Первыми в мобильных электронных устройствах стали применяться именно никель-кадмиевые аккумуляторы.

Основные достоинства:

Невысокая стоимость.Высокая надежность. Данные аккумуляторы невосприимчивы к перезаряду и не теряют работоспособность при полном разряде.Более высокие значения пикового и оптимального тока нагрузки (по сравнению с другими типами аккумуляторов) при одинаковой емкости.Устойчивая работа при отрицательных температурах.Допускают длительное хранение в разряженном состоянии.

Основные недостатки:

Наиболее существенный: аккумуляторы этого типа подвержены необратимому «эффекту памяти».Большой, по сравнению с литиевыми аккумуляторами, саморазряд. При малых токах нагрузки аккумулятор быстро теряет заряд именно за счет саморазряда. По этой причине в часах и пультах дистанционного управления используются все-таки одноразовые батареи, а не аккумуляторы- от саморазряда аккумуляторы «сядут» быстрее, чем от их использования.

Несколько слов об «эффекте памяти». Под этим понимается потеря емкости аккумулятора в случае частой зарядки не полностью разряженного аккумулятора. В этом случае происходит укрупнение кристаллов рабочего вещества (электролита) аккумулятора. Чем мельче кристаллы электролита, тем больше их суммарная площадь и, следовательно, максимально количество энергии, запасаемой аккумулятором. При укрупнении кристаллов в процессе эксплуатации суммарная площадь их поверхности уменьшается и, как следствие, уменьшается реальная емкость - иными словами, «аккумулятор не держит».

В никель-металлогидридных аккумуляторах в качестве анода используется водородный металлогидридный электрод (обычно никель-лантан или гидрид никель-литий), в качестве электролита - гидроксид калия, в качестве катода - оксид никеля. Исследования в области технологии изготовления Ni-MH аккумуляторов начались как попытка преодоления недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов.

Основные достоинства:

Частично устранен «эффект памяти». Это означает, что заряжать не полностью разряженный аккумулятор можно, если он хранился в таком состоянии не более нескольких дней. Если же аккумулятор был частично разряжен, а затем не использовался в течение длительного времени, то перед зарядом его необходимо разрядить.Большая удельная электроемкость по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами.

Основные недостатки:

Критичность к перезаряду.Аккумуляторы необходимо хранить полностью заряженными. При хранении надо регулярно (раз в 1-2 месяца) проверять напряжение. Если напряжение упало ниже 1В, необходимо зарядить аккумуляторы заново.Практически по всем параметрам (число циклов «заряд-разряд», величина саморазряда, токи нагрузки, диапазон рабочих температур) уступают никель-кадмиевым аккумуляторам.

Литий-ионный аккумулятор - тип электрического аккумулятора, широко распространенный в современной бытовой электронной технике. В настоящее время это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, медиаплейеры. В качестве анода используется графит, а в качестве катода - оксиды лития с кобальтом или марганцем. Литий-кобальтовые пластины служат дольше, а литий-марганцевые значительно дешевле. В качестве электролита используют различные соли лития (раствор или гель). На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, отличить которые по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств.

Преимущества:

Высокая плотность энергии и, как следствие, большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.Низкий саморазряд.Высокое напряжение единичного элемента, что упрощает конструкцию- зачастую аккумуляторная батарея состоит только из одного элемента.Отсутствует эффект памяти.Как следствие- удобство в эксплуатации и простота обслуживания. Нет необходимости в периодических циклах разряда для восстановления емкости.

Недостатки:

Более высокая стоимость по сравнению с никелевыми аккумуляторами.Меньшие токи нагрузки при равной емкости с никелевыми аккумуляторами.Для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме того, она ограничивает максимальные токи заряда-разряда и контролирует температуру элемента. Врезультате возможность металлизации лития практически исключена.Аккумулятор подвержен старению, даже если он не используется- уже через два года он теряет большую часть своей емкости.Аккумуляторы этого типа могут быть опасны при разрушении корпуса. Попытки зарядки аккумуляторов с дефектами корпуса могут повлечь за собой бурную реакцию с воспламенением выделяющихся газов.

Оптимальные условия хранения Li-Ion аккумуляторов достигаются при 40% заряде от емкости аккумулятора.

Попытки решения проблем с обеспечением безопасности эксплуатации Li-Ion аккумуляторов привели к появлению литий-полимерных аккумуляторов. Основное отличие - в используемом электролите: в литий-полимерных аккумуляторах используется не раствор или гель, а твердый сухой электролит (в виде пленки) в который для повышения электропроводности добавляется некоторое количество геля.

Основные преимущества:

Низкая цена за единицу емкости. В перспективе- возможность достижения характеристик Li-Ion аккумуляторов по существенно более низкой цене.Отсутствие эффекта памяти.Низкий саморазряд.Толщина элементов от 1мм и возможность придавать аккумулятору гибкую форму.Экологическая безопасность.

Недостатки:

В настоящее время по таким параметрам как удельная электроемкость и количество циклов заряд-разряд литий-полимерные аккумуляторы несколько уступают литий-ионным.Диапазон рабочих температур литий-полимерных аккумуляторов ограничен: элементы плохо работают при отрицательных температурах.

Основные технические характеристики перечисленнных типов аккумуляторов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики основных видов аккумуляторов   Параметр Тип аккумулятора Ni-Cd Ni-MH Li-Ion Li-Pol Удельная электроемкость, Вт.час.кг 45...85 60...120 110...160 100...130 ЭДС, В 1,25 1,25 3,6 3,6 Количество циклов заряд-разряд 1500 400 800 800 Саморазряд, %/месяц 20 30 10 10 Ток нагрузки, пиковый, А 20 5 2 2 Ток нагрузки, оптимальный, А 1 0,5 1 1 Диапазон рабочих температур, °С -40...60 -20...60 -20...60 0...60

 

Интегральные схемы управления батарейным питанием

Данные микросхемы включают в себя несколько классов, которые существенно отличаются по своему назначению:

Микросхемы заряда аккумуляторов (Battery Charger), которые и рассматриваются в данной статье.Микросхемы защиты аккумуляторов (Battery Protector).Микросхемы контроля состояния (Battery Status Monitor).Микросхемы индикации уровня заряда (Battery Fuel Gauge).

Некоторые микросхемы реализуют несколько функций из приведенных выше.

Номенклатура интегральных схем заряда аккумуляторов, выпускаемая компанией Maxim, весьма широка и включает более 60 позиций. Основным критерием, по которому их можно классифицировать является тип обслуживаемых аккумуляторов, а именно:

Никелевые. Как правило, это и никель-кадмиевые, и никель-металлогидридные (хотя есть и исключения).Литиевые (литий-ионные и литий-полимерные).Универсальные (никелевые, литиевые и, часто, кислотно-свинцовые).

Имеет смысл привести и другие классификации:

По способу заряда: медленный заряд, быстрый заряд, реверсивный заряд, капельная подзарядка (Trickle Charging).По способу контроля окончания заряда: по изменению напряжения, по скорости изменения температуры, по времени, по максимуму напряжения, по минимуму тока заряда, с внешним управлением.По типу используемого регулятора: импульсные и линейные.По используемому источнику: от источника постоянного напряжения, от USB-порта.

Микросхемы заряда никелевых аккумуляторов.

В таблице 2 приведены технические характеристики микросхем заряда никелевых аккумуляторов.

Таблица 2. Технические характеристики микросхем заряда никелевых аккумуляторов   Изделие Поддерживаемые типы аккумуляторов Количество батарей Максимальное напряжение заряда, В Максимальный ток заряда, А Критерий окончания зарядки Регулятор Корпус/Число выводов DS2710 NiCd, NiMH 1 5,5 4 -DV Импульсный TDFN/10 DS2711 NiCd, NiMH 1, 2 5,5 - -DV Линейный SOIC(N)/16 TSSOP/16 DS2712 NiCd, NiMH 1, 2 5,5 - -DV Импульсный SOIC(N)/16 TSSOP/16 DS2714 NiCd, NiMH 1, 2, 3, 4 5,5 - -DV Внешний TSSOP/20 DS2715 NiMH 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 16,5 - dT/dt Линейный, импульсный SOIC(N)/16 MAX712 NiMH 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 20 2 -DV Линейный, импульсный CDIP(N)/16 PDIP(N)/16 SOIC(N)/16 MAX713 NiCd, NiMH 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 20 2 -DV Линейный, импульсный CDIP(N)/16 PDIP(N)/16 SOIC(N)/16

Типичными для микросхем данного класса являются изделия DS2711 и DS2712, упрощенная схема включения которых представлена на рисунке 1 (при последовательном подключении двух батарей).

Рис. 1. Схема включения микросхем DS2711 и DS2712

 

 

 

Микросхемы обеспечивают:

Заряд одной или двух аккумуляторных батарей типоразмера АА или ААА (номинальным напряжением 1,2В), включенных параллельно или последовательно.Обнаружение одноразовых батарей и отказ от их заряда.Предварительный заряд разряженных (VBAT






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.