تشرح هذه المقالة كيفية تصميم شاحن بطارية بسيط باستخدام HVPAK SLG47105. يستخدم الشاحن المصمم طريقة التيار الثابت / الجهد الثابت (CC / CV). يشتمل التطبيق أيضًا على مؤقت تشغيل آمن ، وخفض الجهد ، والتيار الزائد ، والحماية الحرارية. الشاحن المقدم عبارة عن شاحن بطارية عالي الكفاءة يعمل بنظام التبديل مناسب لتطبيقات ليثيوم أيون أحادية الخلية إلى خليتين أو تطبيقات ليثيوم بوليمر.
مبدأ التشغيل
طريقة شحن البطارية CC / CV هي عملية شحن تستخدم التيار المستمر في المرحلة الأولية من الشحن ثم تتحول إلى جهد ثابت في مراحل لاحقة من الشحن ، عندما تصل البطارية إلى مستوى الشحن المحدد.
تشمل مزايا طريقة شحن البطارية CC / CV ما يلي:
- الشحن السريع: يسمح استخدام التيار المباشر في المرحلة الأولية من الشحن بشحن البطارية بسرعة ، مما يضمن استخدامًا أكثر كفاءة للوقت.
- التحكم في الجهد: بمجرد الوصول إلى مستوى الشحن المحدد ، يساعد الجهد الثابت في تجنب الشحن الزائد للبطارية ، مما يضمن مستوى شحن آمن.
- تعدد الاستخدامات: يمكن تطبيق طريقة CC / CV على أنواع مختلفة من البطاريات ، مثل ليثيوم أيون وهيدريد معدن النيكل وغيرها ، مما يضمن تنوع استخدام هذه الطريقة لشحن أنواع مختلفة من البطاريات.
- كفاءة الشحن: تحقق طريقة CC / CV كفاءة شحن عالية لأن التيار الثابت في المرحلة الأولية يسمح بأقصى تيار شحن ، ويساعد الجهد الثابت في المراحل اللاحقة على ضمان استقرار جهد الشحن.
- المرونة: يمكن تكييف طريقة CC / CV مع متطلبات الشحن المختلفة اعتمادًا على نوع البطارية وحالة الشحن وعوامل أخرى ، مما يتيح مزيدًا من المرونة في إعداد عملية الشحن.
يحتوي هذا التصميم أيضًا على مرحلة ما قبل الشحن. هذه هي الخطوة الأولى في عملية شحن البطارية ، والتي تُستخدم لتقليل تيار الشحن الأولي عند توصيل بطارية فارغة الشحن بمصدر طاقة.
أثناء التفريغ ، تفقد البطارية فرق جهدها الكهربائي ويمكن أن تكون المقاومة الداخلية عالية. عند توصيل مثل هذه البطارية المفرغة بشاحن ، يمكن أن يتسبب تيار الشحن العالي في ارتفاع الجهد عبر أطراف البطارية ، مما قد يتسبب في حدوث انحناء وتلف أطراف البطارية أو الخلايا.
لذلك ، تتضمن مرحلة الشحن المسبق تطبيق تيار شحن محدود مبدئيًا يتم زيادته بشكل مطرد بمرور الوقت لتجنب مثل هذه المشكلات. يسمح ذلك للبطارية بالتشبع تدريجيًا بالطاقة الكهربائية ، مما يقلل من تأثير التيارات العالية على خلاياها.
تُستخدم مرحلة الشحن المسبق بشكل شائع في بعض أجهزة شحن البطاريات ، وخاصة شواحن السيارات وأجهزة الشحن لأنظمة البطاريات الكبيرة. يساعد على ضمان الشحن الآمن والفعال للبطارية ، وحمايتها من التلف المحتمل أثناء مرحلة الشحن الأولية.
يوضح الشكل 1 ملف تعريف شحن بطارية Li-ion.
يوضح الشكل 2 مخطط تدفق العملية.
يوجد أيضًا مؤشر LED للإبلاغ عن العملية:
- LED مطفأ: لا يوجد شحن
- مصباح LED قيد التشغيل: عملية الشحن
- يومض مؤشر LED: إنهاء الشحن
تصميم GreenPAK
يوضح الشكل 3 تصميم GreenPAK. يمكن العثور على ملف التصميم الكامل هنا.
إذا تم توصيل Vusb ، يكتشفه PIN3 ويقوم بتشغيل ACMP0H. يتحقق ACMP0H من مستوى جهد VDD: إذا كان أعلى من 4.5 فولت ، يكون الناتج مرتفعًا ويمكن بدء جميع العمليات.
ثم يتحقق ACMP1H من جهد Vbat. ناتج DFF4 مرتفع ، لذلك لا يوجد مقسم جهد متصل بـ PIN20 (مصدر IN + لـ ACMP1H). إذا كان Vbat أقل من 3 فولت ، تبدأ مرحلة الشحن المسبق. يرسل PWM0 التيار ويتحكم CCMP0 فيه. في هذه الحالة ، يكون الإدخال لأعلى / لأسفل لـ PWM0 macrocell منخفضًا ، مما يعني أننا نبدأ الشحن من 160 مللي فولت لـ CCMP0 Vref (الشكل 4). نتيجة لذلك ، يحافظ CCMP0 على تيار 90 مللي أمبير تقريبًا.
بقدر ما يكون خرج ACMP1H مرتفعًا (يكون Vbat أعلى من 3 فولت) ، ينتقل خرج DFF4 إلى منخفض ويتم توصيل مقسم الجهد بـ PIN20. تبدأ مرحلة التيار الثابت. في هذه الحالة ، يقوم ACMP0H بإجراء مقارنة لـ 4.2 فولت (وليس 3 فولت ، كما في الحالة الأولى). إن الإدخال لأعلى / لأسفل في PWM0 مرتفع ، لذا فإن CCMP0 Vref هو 960 مللي فولت. التيار الناتج ~ 550 مللي أمبير. لاحظ أنه يمكن تغيير هذه الحدود الحالية عن طريق تغيير قيمة Vref في ملف reg أو عن طريق تغيير المقاوم المتصل بـ Pin 5 (Sense A).
تستمر مرحلة CC هذه حتى يصل جهد البطارية إلى 4.2 فولت (ناتج ACMP1H مرتفع). ثم تتوقف مرحلة التيار الثابت وتبدأ مرحلة الجهد الثابت. في هذه الحالة ، يتحكم ACMP1H في الجهد الثابت البالغ 4.2 فولت ويتحقق CCMP1 فقط ويحافظ على انخفاض التيار وأقل من Iفرنك بلجيكي 90 مللي أمبير حتى يتم شحن البطارية بالكامل. عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل ، تتوقف عملية الشحن وتكون جميع الكتل المقابلة في وضع السكون (CHG_Sleep مرتفع).
بالإضافة إلى ذلك ، يضبط CNT0 / DLY0 مؤقت تشغيل الأمان بمجرد اكتشاف Vusb. إذا لم يكتمل الشحن خلال هذا الوقت ، يكون CHG_Sleep مرتفعًا ويتم إيقاف تشغيل النظام. يتم ضبط هذا الوقت بواسطة CNT0 / DLY0 ويمكن تغييره بسبب إعدادات الشاحن ونوع البطارية.
ملاحظة: يصف هذا التصميم كيفية إنشاء شاحن بطارية CC / CV للبطاريات أحادية الخلية. إذا لزم الأمر لإنشاء شاحن للبطاريات ثنائية الخلية ، يجب عليك زيادة VDD2 إلى 10 فولت على الأقل وضبط مقسم الجهد للتحقق من Vbat 8.4 فولت (4.2 فولت للبطاريات أحادية الخلية).
اختبار التصميم
توضح الأشكال 5-7 عملية الشحن في مراحل الشحن المسبق والتيار الثابت والجهد الثابت ، على التوالي. تمثل القناة الزرقاء إخراج Pin 7 و Pin 8 ، والقناة الحمراء تمثل Vbat + والقناة الخضراء تمثل Pin 5 Sense A.
