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筆記本電池充電控制器開源分享

1868388 2023-06-25 | zip | 0.15 MB | 次下載 | 2積分

資料介紹

描述

該項目適用于那些想要將舊筆記本電腦變成便攜式 Raspberry Pi 的人。缺少的部分是為由 3 或 4 個串聯(lián)有線電池制成的原始鋰電池組充電的方法。這些電池與 Adafruit 和 Sparkfun 提供的充電器不兼容。為了解決這個問題，我在 Eagle 中設(shè)計了一個電路板，它使用Max1873充電控制器和ATtiny85作為主管。下面顯示的電路板由 OSH Park 制造。Eagle 板和原理圖文件以及 ATtiny 代碼可以在下面下載。

OSH Park 電路板“Charge_Controller”

Max1873 已經(jīng)存在很長時間了，需要一個微控制器來處理較新的內(nèi)置充電器 IC 所具有的任務(wù)。我之前有過使用該芯片的經(jīng)驗，并且發(fā)現(xiàn)它很容易上手。除了給鋰電池充電外，Max1873 還可以給 NiCd 或 NiMH 電池充電。下面的示意圖顯示了 ATtiny85 如何由 Max1873 中的 5.4 伏穩(wěn)壓器供電。這意味著 ATtiny 僅在插入墻上電源時才運行。ATtiny 輸出一個邏輯信號，該信號打開 NFET，從而禁用 Max1873。這個 5.4 伏邏輯信號被衰減到 3.3 伏電平，因此它可以被 Pi 監(jiān)控。如果 ATtiny 未安裝在其插座中，則將啟用 Max1873。Pi 可以驅(qū)動“Charger_TP”

Max1873的R、S或T版本根據(jù)電池組中的串聯(lián)電芯數(shù)量來使用，簡稱2S、3S或4S。也可能有 2 或 3 個電池并聯(lián)，稱為 2P 或 3P，但這不會影響電壓。我的戴爾 D630 電池組是 3S2P 配置，標記為 11.1 伏和 58 瓦時。

印在電池組上的電壓通常是標稱值，但有時也是最大值，所以要小心。對于具有 3 個串聯(lián)電池的電池組，標稱電壓將為 11.1 伏或 10.8 伏，具體取決于它們對“標稱”的定義。4 個串聯(lián)電池的標稱電壓為 14.4 伏或 14.8 伏。

Adafruit和Battery University有幾種鋰電池的電壓信息。Adafruit 表示，較舊的鋰電池的額定電壓最高為 4.1 伏，標稱電壓為 3.6 伏，但更常見的鋰電池的額定電壓最高為 4.2 伏，標稱電壓為 3.7 伏。電池大學(xué)表示，普通鋰電池的最大額定電壓為 4.2 伏，標稱電壓為 3.6 伏，但許多制造商聲稱標稱電壓為 3.7 伏，以獲得更高的瓦時額定值。有更新的鋰電池，最大額定電壓為 4.35 伏。通過使用電阻器 R5 和 R6 設(shè)置最大電池電壓，Max1873 可以與所有這些電池一起工作（見下圖）。最常見的電池電壓的電阻值是：

4.1 伏最大電池電壓：R5 = 54.9KΩ 和 R6 = 147KΩ。

4.2 伏最大電池電壓：R5 = 100KΩ 和 R6 = 100KΩ。

4.35 伏最大電池電壓：R5 = 169KΩ 和 R6 = 32.4KΩ。

如果您不確定最大電池電壓是多少，請使用 4.1 伏電阻值以確保安全。

Max1873電池充電器

19 VDC 輸入通過一個 5 安培的慢熔保險絲和肖特基阻塞二極管。R9 將輸入電流限制設(shè)置為 3 安培。Max1873 將降低電池充電電流以將輸入電流保持在 3 安培以下。R1 將電池充電電流限制設(shè)置為 1 安培。下圖顯示了電池從空到滿的充電情況。恒流階段將充電電流保持在 1 安培，然后在電流下降時進入恒壓階段。電流將繼續(xù)下降，直到達到“涓流充電”水平。

CC-CV 圖

電池大學(xué)說：“持續(xù)的涓流充電會導(dǎo)致金屬鋰電鍍并危及安全?！?為了解決這個問題，ATtiny 監(jiān)控充電電流并在特定值時禁用充電器。Max1873 在引腳 7 上輸出與充電電流成正比的電壓。在 1 安培的充電電流下，引腳 7 輸出 4 伏特，衰減到 1 伏特并饋入 ATtiny 的 ADC，如下圖所示。1.1 伏內(nèi)部 ADC 參考在 ATtiny 代碼中選擇。當(dāng)充電電流降至 350ma 以下時，ATtiny 代碼會禁用 Max1873 以避免涓流充電。當(dāng)充電電流低于 350ma 時，Dell D630 電池通過 SMBus 報告 100% 充電狀態(tài) (SOC)。我已經(jīng)測試了要求充電電流低于 100ma 才能聲稱 100% SOC 的其他電池組。可能需要針對您的特定電池進行實驗。不需要達到 100% SOC，而且如果您盡早終止充電，這將延長您的電池壽命。終止充電的值可以在 ATtiny 代碼中輕松調(diào)整。

電流監(jiān)視器

許多筆記本電池有一個內(nèi)部 10KΩ NTC 熱敏電阻，因此主板可以測量溫度。戴爾 D630 電池沒有熱敏電阻引腳，因此我在電池倉中添加了一個熱敏電阻，并按下圖所示進行接線。

溫度監(jiān)控器

熱敏電阻 490-7171-ND 的溫度與電阻測試結(jié)果如下所示。如果初始加電后的溫度變化增加超過 10 度，ATtiny85 代碼將禁用 Max1873。

10KΩ熱敏電阻

電池電壓衰減了 1/17，因此可以將其饋入 ATtiny 的 ADC 輸入，如下所示。這種衰減會將 4S 電池的 16.8 伏電壓降至 1 伏以下，以便 ATtiny 中的 ADC 可以讀取它。

電池電壓監(jiān)控器

可以修改 ATtiny 代碼以監(jiān)視過壓情況，但由于 ADC 的低分辨率和導(dǎo)致誤報的嘈雜環(huán)境，這將很困難。我的代碼監(jiān)控此電壓以查看電池是否低于 0% SOC。如果 3 系列電池組的電池電壓低于 9 伏，或 4 系列電池組的電池電壓低于 12 伏，則啟用 Max1873 以每 2 秒以 1 安培的電流對電池進行短時間充電，以緩慢地對電池進行預(yù)充電一種 PWM 方式。“開啟”時間隨著電壓的增加而變長。其他充電控制器 IC 提供降低的充電電流以對嚴重耗盡的電池進行預(yù)充電，但 Max1873 無法做到這一點。

ATtiny 跟蹤充電時間并在 300 分鐘后禁用電池充電。一旦您知道為您的電池組充電通常需要多長時間，就應(yīng)該更改此值。我的 Dell D630 電池從電量耗盡到充滿需要 230 分鐘。

我已經(jīng)制作了 3 個版本的 Max1873 充電器板，隨著我了解的更多，改進了各種設(shè)計項目。我增加了處理高電流的電路板走線的寬度。我希望 1 盎司的銅跡線寬度能夠處理至少 3 安培的電流，而溫度升高不超過 10oC。IPC-2152列線圖顯示我至少需要 4 毫米寬的跡線。我板上最小的電源走線寬度超過 5 毫米。

我在早期版本的設(shè)計中使用肖特基二極管將電池“Or-Tie”到負載。在最新的電路板設(shè)計中，通過使用“理想二極管”消除了二極管的 0.4 伏壓降。這包括一個由 LTC4412 控制的 P 溝道 FET，如下所示。

理想二極管“或領(lǐng)帶”

根據(jù)數(shù)據(jù)表，使用 Max1873R 時，電池電容器 C22 的 ESR 應(yīng)低于 1Ω，值為 68μF。Max1873S 可降至 47μF，Max1873T 可降至 33μF。我將零件清單中給出的Kemet 68μF 電容器與 Max1873R 和 S 芯片一起使用。它的 ESR 低于 200mΩ。

回流焊爐或熱風(fēng)返修臺效果最好，但如果您可以使用烙鐵，則可以組裝此板。我手工焊接了第一塊板，并使用我的 DIY回流爐焊接第二塊板，并用注射器涂抹焊膏。對于第三塊板，我使用如下所示的模板來粘貼。這給出了最好的結(jié)果，需要零返工。

焊錫模板

。74HC132A 施密特觸發(fā)器四 NAND 作為 SR 鎖存器連接，以控制 5 伏和 10 伏降壓穩(wěn)壓器上的使能引腳。鎖存器的置位和復(fù)位輸入為低電平有效。按下鍵盤上的“On”按鈕會向鎖存器的“Set”輸入發(fā)送一個低電平。“Q”輸出鎖存為高電平并用反相器緩沖以將降壓穩(wěn)壓器使能引腳驅(qū)動為低電平。當(dāng) Teensy 從 Pi 接收到關(guān)閉信號時，它會將鎖存器的“重置”輸入驅(qū)動為低電平（通過逆變器），導(dǎo)致降壓調(diào)節(jié)器的啟用信號變高。Pi 可以直接連接到閂鎖，但我將 Teensy 放在中間，這樣即使 Pi 被鎖定，它也可以關(guān)閉筆記本電腦。如有必要，Teensy 還可以在關(guān)閉電源之前提供延遲。閂鎖電路必須在筆記本電腦關(guān)閉時運行，因此它由一個單獨的 3.3 伏線性穩(wěn)壓器供電，該穩(wěn)壓器由電池或 19 伏輸入供電。在筆記本電腦關(guān)閉的情況下，電池負載包括 3.3 伏穩(wěn)壓器、Max1873、quad NAND、LTC4412 的靜態(tài)電流，以及 ATtiny85 電池監(jiān)視器的分壓器。這些負載在最壞情況下消耗 310ua（測得 285ua）。將此與電池組內(nèi)部自放電（每月 2%）加上消耗約 363ua 的保護電路（每月 3%）進行比較。全部一起，