Litio

Por ahora, hemos repasado los conceptos básicos y la mecánica de manejo de LiIon. Cuando se trata de diseñar su circuito alrededor de una batería LiIon, creo que también podría beneficiarse de un libro de cocina con sugerencias directas. Aquí, me gustaría darle una colección de recetas de LiIon que funcionaron bien para mí a lo largo de los años.

Hablaré de configuraciones de celdas de una sola serie (1sXp), por una razón simple: las configuraciones de varias series no son algo con lo que considero que haya trabajado mucho. Las configuraciones de una sola serie por sí solas darán como resultado una redacción bastante extensa, pero para aquellos expertos en el manejo de LiIon, los invito a compartir sus consejos, trucos y observaciones en la sección de comentarios. La última vez, mencionamos algunos puntos interesantes. !

Hay muchas maneras de cargar las celdas que acaba de agregar a su dispositivo: una amplia variedad de circuitos integrados de cargador y otras soluciones están a su disposición. Me gustaría centrarme en un módulo específico sobre el que creo que es importante que sepa más.

Es probable que haya visto las placas azules TP4056: son baratas y está a un pedido de Aliexpress de tener un montón, con una docena de placas por solo unos pocos dólares. El TP4056 es un IC de cargador LiIon capaz de recargar sus celdas a una velocidad de hasta 1 A. Muchas placas TP4056 tienen un circuito de protección integrado, lo que significa que dicha placa también puede proteger su celda LiIon del mundo exterior. Esta placa en sí puede tratarse como un módulo; Durante más de media década, el espacio de la placa de circuito impreso se ha mantenido igual, hasta el punto en que puede agregar un espacio de placa TP4056 en sus propias placas de circuito impreso si necesita carga y protección de LiIon. Lo hago mucho, es mucho más fácil e incluso más barato que soldar el TP4056 y todos sus componentes de soporte. Aquí hay una huella de KiCad si desea hacer eso también.

Este es un IC de cargador lineal: si desea 1 A de salida, necesita 1 A de entrada, y la diferencia de voltaje de entrada-salida multiplicada por la corriente se convierte en calor. Afortunadamente, los módulos TP4056 están diseñados para manejar altas temperaturas razonablemente bien, y puede agregar un disipador de calor si lo desea. La corriente de carga máxima se establece mediante una resistencia entre tierra y uno de los pines, siendo la resistencia predeterminada de 1,2 kΩ, lo que da como resultado una corriente de 1 A; para celdas de baja capacidad, puede reemplazarlo con una resistencia de 10 kΩ para establecer un límite de 130 mA, y puede encontrar tablas en línea para valores intermedios.

Hay algunas cosas geniales sobre el IC TP4056 que la mayoría de las personas no conocen si están usando los módulos tal como están. El pin CE del IC está conectado a un VIN de 5 V, pero si levanta ese pin, puede usarlo para deshabilitar y habilitar la carga con una entrada de nivel lógico de su MCU. Puede monitorear la corriente de carga conectando el ADC de su MCU al pin PROG, el mismo pin que se usa para la resistencia de configuración actual. También hay un pin de termistor, normalmente conectado a tierra, pero adaptable a una amplia gama de termistores mediante un divisor de resistencia, ya sea el termistor conectado a su celda de bolsa o uno que agregó externamente a su soporte 18650.

También hay problemas con el TP4056: es un IC bastante simple. La eficiencia no es un imperativo cuando hay energía de pared disponible, pero el TP4056 desperdicia una cantidad decente de energía en forma de calor. Un módulo basado en un cargador de conmutación evita eso y, a menudo, también le permite cargar a corrientes más altas si alguna vez es necesario. Conectar una celda en reversa mata el chip y el circuito de protección también: este error es fácil de cometer, lo he hecho muchas veces, y es por eso que necesita repuestos. Si invierte los contactos de la celda, deseche la placa; no cargue sus celdas con un IC defectuoso.

Además, dada la popularidad del TP4056, varios proveedores de chips diferentes fabrican copias de este IC en China, y he observado que algunas de estas copias de IC se rompen más fácilmente que otras, por ejemplo, ya no cargan sus celdas; repuestos El TP4056 tampoco proporciona temporizadores de carga como otros circuitos integrados más modernos, un tema que abordamos en la sección de comentarios del primer artículo.

Con todo, estos módulos son potentes y bastante universales. Incluso es seguro usarlos para cargar celdas de 4,3 V, ya que debido a la operación CC/CV, la celda simplemente no se cargará a su máxima capacidad, lo que prolongará la vida útil de la celda como efecto secundario. Cuando necesite ir más allá de estos módulos, hay una gran cantidad de circuitos integrados que puede utilizar: cargadores lineales más pequeños, cargadores de conmutación, cargadores con funciones de regulador de potencia y/o CC-CC integradas, y una gran cantidad de circuitos integrados que funcionan con LiIon. cargando como un efecto secundario. El mundo de los circuitos integrados de cargador LiIon es enorme y hay mucho más que el TP4056, pero el TP4056 es un maravilloso punto de partida.

Al igual que con los circuitos integrados de carga, existen muchos diseños y hay uno que debe conocer: la combinación DW01 y 8205A. Es tan omnipresente que al menos uno de sus dispositivos comprados en la tienda probablemente lo contenga, y los módulos TP4056 también vienen con este combo. El DW01 es un IC que monitorea el voltaje de su celda y la corriente que entra y sale de ella, y el 8205A son dos N-FET en un solo paquete, lo que ayuda con la parte real de "conectar y desconectar la batería". No hay una resistencia de detección de corriente adicional; en cambio, el DW01 monitorea el voltaje a través de la unión 8205A. En otras palabras, los mismos FET que se usan para desconectar la celda del mundo exterior en caso de falla, se usan como resistencias de detección de corriente. Este diseño es barato, frecuente y funciona de maravilla.

El DW01 protege contra sobrecorriente, sobredescarga y sobrecarga: los dos primeros ocurren con relativa frecuencia en proyectos de pasatiempos, y el último es útil si su cargador se estropea alguna vez. Si sucede algo incorrecto, interrumpe la conexión entre el terminal negativo de la celda y GND de su circuito, en otras palabras, realiza una conmutación del lado bajo; por una razón simple, los FET que interrumpen GND son más baratos y tienen menor resistencia. También hemos visto algunos trucos realizados con este chip; por ejemplo, hemos cubierto la investigación de un pirata informático que descubrió que el DW01 se puede usar como un interruptor de alimentación suave para su circuito, de una manera que no compromete seguridad. Solo necesita conectar un pin GPIO de su MCU al DW01, preferiblemente a través de un diodo; este comentario describe un enfoque que me parece bastante resistente a fallas.

Cuando conecta por primera vez una celda LiIon a la combinación DW01+8205A, a veces habilitará su salida, pero a veces no. Por ejemplo, si tiene un soporte para 18650 y un circuito de protección conectado, hay una probabilidad del 50/50 de que su circuito se encienda una vez que inserte la batería. La solución es simple: conecte un cargador externo o cortocircuite la SALIDA y B con algo metálico (a menudo agrego un botón externo), pero es molesto lidiar con eso. Al igual que TP4056, el combo DW01+8205A muere si conecta la batería al revés. Además, el DW01 está cableado internamente para un corte de sobredescarga de 2,5 V, que técnicamente no se puede cambiar. Si no tiene un corte independiente controlado por software, el FS312 es un reemplazo DW01 compatible con pines con un punto de sobredescarga de 3,0 V, lo que lo ayuda a prolongar la vida útil de su celda.

Puede comprar un lote de módulos de circuito de protección listos para usar, o simplemente usar el circuito de protección dispuesto en el PCB del módulo TP4056. También puede acumular un stock decente de circuitos de protección sacándolos de las baterías de una sola celda cada vez que la celda se hinche o muera; tenga cuidado de no perforar la celda mientras lo hace, por favor.

Para una celda de iones de litio de 4,2 V, el rango de voltaje útil es de 4,1 V a 3,0 V: una celda de 4,2 V cae rápidamente a 4,1 V cuando extrae energía de ella, y a 3,0 V o menos, la resistencia interna de la celda generalmente aumenta lo suficientemente rápido que ya no obtendrá mucha corriente útil de su celda. Si desea llegar a 1,8 V o 2,5 V, eso no es un problema, y ​​si desea llegar a 5 V, utilizará algún tipo de regulador de impulso. Sin embargo, la mayoría de nuestros chips aún funcionan a 3,3 V; veamos cuáles son nuestras opciones aquí.

Cuando se trata del rango de LiIon para la regulación de 3,3 V, los reguladores lineales siguen de cerca a los reguladores de conmutación en términos de eficiencia, a menudo tienen una corriente de reposo (sin carga) más baja si busca una operación de baja potencia y un ruido más bajo si quiere hacer cosas analógicas. . Dicho esto, su 1117 regular no funcionará: es un diseño antiguo e ineficiente, y el 1117-33 comienza a moler sus engranajes a aproximadamente 4.1 V. En su lugar, use reemplazos de voltaje de baja caída compatibles con pines como AP2111, AP2114 y BL9110, o AP2112, MIC5219, MCP1700 y ME6211 si está de acuerdo con las cosas SOT23. Todos estos son reguladores lineales cómodos que proporcionan 3,3 V con una entrada de hasta 3,5 V y, a veces, incluso 3,4 V, si desea alimentar algo como un ESP32. Es difícil negar la simplicidad de usar un regulador lineal: todo lo que se necesita es un chip y algunas tapas.

Si desea 500 mA a 1000 mA o incluso más corriente de forma continua, un regulador de conmutación será su mejor amigo. Mi favorito personal es PAM2306: este regulador se usa en Raspberry Pi Zero, es muy económico y accesible, e incluso tiene dos rieles de salida separados. Dada su capacidad para operar al 100% del ciclo de trabajo, puede extraer mucho jugo de sus celdas, lo que a menudo es deseable para proyectos de mayor potencia donde el tiempo de ejecución es importante. Y oye, si tienes Pi Zero con una CPU muerta, no te equivocarás cortando una parte de la PCB y soldando algunos cables. Cuando diseñe su propia placa, use las recomendaciones de la hoja de datos para los parámetros del inductor si todo el asunto de "elegir el inductor correcto" lo tiene confundido.

Entonces, el PAM2306 es el regulador del Pi Zero, ¿y también es compatible con LiIon? Sí, puede alimentar un Pi Zero directamente desde una batería de iones de litio, ya que todos los circuitos integrados funcionan hasta 3,3 V en los pines de "5 V". Lo probé extensamente en mis propios dispositivos, e incluso funciona con Pi Zero 2 W. Combinado con este powerpath y un cargador, tiene un paquete completo de "Linux alimentado por batería", con todo el empuje que una Raspberry Pi proporciona, al costo de solo un puñado de componentes. Un problema a tener en cuenta es que el puerto MicroUSB VBUS tendrá voltaje de batería; en otras palabras, es mejor que llene los puertos MicroUSB con pegamento caliente en caso de que alguien conecte una fuente de alimentación MicroUSB allí y toque los puntos de prueba de datos USB para USB conectividad.

Ahora, se está cargando y tiene sus 3,3 V. Hay un problema que debo recordarle: mientras carga la batería, no puede extraer corriente de ella, ya que el cargador depende de las mediciones actuales. para controlar la carga; si confunde el cargador con una carga extra, corre el riesgo de sobrecargar la batería. Afortunadamente, dado que tiene un cargador enchufado, debe tener 5 V accesibles. ¡Sería genial si pudiera alimentar sus dispositivos desde esa fuente de 5 V cuando está presente y usar la batería cuando no lo está! Por lo general, usamos diodos para tales decisiones de energía, pero eso causaría una caída de voltaje adicional y pérdidas de energía cuando se opera desde la batería. Afortunadamente, hay un circuito simple de tres componentes que funciona mucho mejor.

En este circuito de ruta de alimentación, un P-FET desempeña el papel de uno de los diodos, con una resistencia que abre el FET mientras el cargador no está presente. El P-FET no tiene una caída de voltaje, sino que tiene una resistencia en fracciones de ohm, por lo que evita pérdidas cuando el cargador no está enchufado. Una vez que el cargador está conectado, el FET se cierra y el cargador alimenta su circuito a través de el diodo en su lugar. Necesita un P-FET de nivel lógico: cabrían IRLML6401, CJ2305, DMG2301LK o HX2301A, y hay miles más que funcionarán. En cuanto a un diodo, funcionará un Schottky predeterminado como 1N5819 (SS14 para SMD). Es un circuito omnipresente y merece su lugar en las cajas de herramientas de circuitos.

Puede comprar escudos y módulos que contengan todas estas partes y, a veces, más, en una sola placa. También puede comprar circuitos integrados que contengan todas o algunas de las partes de este circuito, a menudo mejoradas, y no preocuparse por los detalles. Sin embargo, estos circuitos integrados tienden a ser más caros y mucho más sujetos a la escasez de chips que la solución basada en componentes individuales. Además, cuando surgen problemas, la comprensión del funcionamiento interno ayuda mucho. Por lo tanto, es importante que los conceptos básicos estén desmitificados para usted, y no se sienta obligado a reutilizar las placas de los bancos de energía la próxima vez que desee hacer que su dispositivo sea portátil.

Esté atento a lo que están haciendo otras juntas. A menudo, verá el circuito cargador + regulador + powerpath descrito anteriormente, especialmente cuando se trata de placas más baratas con chips como el ESP32. Otras veces, verá soluciones de administración de energía más complejas, como chips de banco de energía o PMIC. A veces van a funcionar mucho mejor que el circuito simple, a veces es todo lo contrario. Por ejemplo, algunas placas TTGO que funcionan con baterías usan chips de banco de energía y complican demasiado el circuito, lo que resulta en un comportamiento extraño y fallas de funcionamiento. Una placa TTGO diferente, por otro lado, utiliza un PMIC que es mucho más adecuado para dichas placas, lo que da como resultado un funcionamiento impecable e incluso un control de administración de energía granular para el usuario.

Ahora ya sabe lo que se necesita para agregar un conector de entrada de batería LiIon a su proyecto y los secretos detrás de las placas que ya vienen con uno. Es una sensación como ninguna otra, llevar un proyecto de microcontrolador contigo a dar un paseo mientras pruebas un concepto tuyo. Espero haberte acercado un poco más a experimentarlo.

La próxima vez, me gustaría hablar sobre baterías con múltiples celdas en serie: BMS, balanceo y carga de paquetes de LiIon de diferentes fuentes. Sin embargo, me llevará mucho tiempo prepararlo, ya que primero me gustaría terminar algunos proyectos relacionados, y le recomiendo que consulte esta cobertura nuestra si desea obtener más información al respecto. Mientras tanto, ¡les deseo suerte en la construcción de sus proyectos alimentados por batería!