Litio

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

Hablaré de configuraciones de celdas de serie única (1sXp), por una sencilla razón: no considero que haya trabajado extensamente con configuraciones de series múltiples. Las configuraciones de una sola serie por sí solas darán como resultado un artículo bastante extenso, 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 formas de cargar las celdas que acaba de agregar a su dispositivo: tiene a su disposición una amplia variedad de circuitos integrados de cargador y otras soluciones. Me gustaría centrarme en un módulo específico sobre el que creo que es importante que sepas más.

Probablemente hayas visto las placas azules TP4056: son baratas y estás a un pedido de Aliexpress de tener un montón, con una docena de placas por solo unos pocos dólares. El TP4056 es un cargador IC de LiIon capaz de recargar sus celdas a una velocidad de hasta 1 A. Muchas placas TP4056 tienen un circuito de protección incorporado, lo que significa que dicha placa también puede proteger su celda de LiIon del mundo externo. Esta placa en sí misma puede tratarse como un módulo; Durante más de media década, la huella de la PCB se ha mantenido igual, hasta el punto de que puede agregar una huella de placa TP4056 a sus propias PCB si necesita carga y protección de LiIon. Hago eso con frecuencia; es mucho más fácil e incluso más económico que soldar el TP4056 y todos sus componentes de soporte. Aquí tienes una huella de KiCad si quieres 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 soportar altas temperaturas razonablemente bien y puedes agregar un disipador de calor si lo deseas. La corriente de carga máxima se establece mediante una resistencia entre tierra y uno de los pines; la resistencia predeterminada es de 1,2 kΩ, lo que da como resultado una corriente de 1 A; para celdas de baja capacidad, puede reemplazarla 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 interesantes sobre el IC TP4056 que la mayoría de las personas no conocen si usan los módulos tal como están. El pin CE del IC está cableado a 5 V VIN, pero si levanta ese pin, puede usarlo para deshabilitar y habilitar la carga con una entrada de nivel lógico desde su MCU. Puede monitorear la corriente de carga conectando el ADC de su MCU al pin PROG, el mismo pin usado para la resistencia de configuración actual. También hay un pin de termistor, generalmente conectado a tierra, pero adaptable a una amplia gama de termistores que usan 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 buena cantidad de energía en forma de calor. Un módulo basado en cargador conmutado evita esto y, a menudo, también le permite cargar a corrientes más altas si alguna vez es necesario. Conectar una celda al revés mata el chip y también el circuito de protección; este error es fácil de cometer, lo he hecho muchas veces y es por eso que necesitas repuestos. Si invierte los contactos de las celdas, deseche la placa; no cargue sus celdas con un IC defectuoso.

Además, dada la popularidad del TP4056, múltiples 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 las celdas. repuestos. El TP4056 tampoco proporciona temporizadores de carga como lo hacen otros circuitos integrados más modernos, un tema que abordamos en la sección de comentarios del primer artículo.

En definitiva, 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 capacidad total, lo que prolongará la vida útil de la celda como efecto secundario. Cuando necesita ir más allá de estos módulos, hay una gran variedad de circuitos integrados que puede utilizar: cargadores lineales más pequeños, cargadores conmutados, cargadores con funciones de regulador CC-CC y ruta de alimentación integradas, y una gran cantidad de circuitos integrados que funcionan con LiIon. carga como efecto secundario. El mundo de los circuitos integrados de cargadores 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 debes conocer: la combinación DW01 y 8205A. Es tan omnipresente que al menos uno de los 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 utilizados para aislar la celda del mundo exterior en caso de falla se utilizan 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 alguna vez falla. Si sucede algo mal, 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 sencilla razón, los FET que interrumpen GND son más baratos y tienen menor resistencia. También hemos visto algunos trucos realizados con este chip; por ejemplo, cubrimos la investigación de un hacker que descubrió que el DW01 se puede usar como un interruptor de alimentación suave para su circuito, de una manera que no compromete la 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 otras no. Por ejemplo, si tiene un soporte para 18650 y un circuito de protección conectado a él, hay una probabilidad de 50/50 de que su circuito se encienda una vez que inserte la batería. La solución es simple: conectar un cargador externo o cortocircuitar OUT y B con algo metálico (a menudo agrego un botón externo), pero es molesto lidiar con eso. Al igual que el TP4056, el combo DW01+8205A se apaga 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 controlado por software independiente, el FS312 es un reemplazo del DW01 compatible con pines con un punto de sobredescarga de 3,0 V, que le 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 la PCB del módulo TP4056. También puede acumular un suministro decente de circuitos de protección sacándolos de las baterías de una sola celda cada vez que la celda se infla o muere; tenga cuidado de no perforar la celda mientras lo hace, por favor.

Para una celda de LiIon 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 se 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 obtendrás mucha corriente útil de tu celular. 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 refuerzo. Sin embargo, la mayoría de nuestros chips todavía funcionan a 3,3 V; veamos cuáles son nuestras opciones aquí.

Cuando se trata del rango de regulación de LiIon a 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 un funcionamiento de bajo consumo y un menor ruido si desea hacer cosas analógicas. . Dicho esto, su 1117 normal no funcionará: es un diseño antiguo e ineficiente, y el 1117-33 comienza a rechinar sus engranajes a aproximadamente 4,1 V. En su lugar, utilice reemplazos de baja caída de voltaje compatibles con pines, como AP2111, AP2114 y BL9110. o AP2112, MIC5219, MCP1700 y ME6211 si está de acuerdo con el material SOT23. Todos estos son reguladores lineales que se sienten cómodos proporcionando 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 utilizar un regulador lineal: todo lo que se necesita es un chip y algunas tapas.

Si desea una corriente de 500 mA a 1000 mA o incluso más de forma continua, un regulador de conmutación será su mejor amigo. Mi favorito personal es el 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 realizar una operación de ciclo de trabajo del 100%, puede extraer una gran cantidad de energía de sus celdas, lo que a menudo es deseable para proyectos de mayor potencia donde el tiempo de ejecución es importante. Y bueno, si tienes Pi Zero con una CPU muerta, no te equivocarás al cortar una parte de la PCB y soldarle algunos cables. Al diseñar su propia placa, utilice las recomendaciones de la hoja de datos para los parámetros del inductor si todo el asunto de “elegir el inductor correcto” lo confunde.

Entonces, ¿el PAM2306 es el regulador del Pi Zero y también es compatible con LiIon? Sí, puedes alimentar un Pi Zero directamente desde una batería de LiIon, ya que todos los circuitos integrados funcionan a 3,3 V en los pines de “5 V”. Lo he probado exhaustivamente en mis propios dispositivos e incluso funciona con el Pi Zero 2 W. Combinado con este powerpath y un cargador, tienes un paquete completo de “Linux alimentado por batería”, con todo el empuje que una Raspberry Pi proporciona, al costo de sólo 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 llenar 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 ya tienes la carga y tienes los 3,3 V. Hay un problema que debo recordarte: mientras estás cargando la batería, no puedes extraer corriente de ella, ya que el cargador depende de las mediciones de corriente. controlar la carga; Si confundes el cargador con una carga extra, corres el riesgo de sobrecargar la batería. Afortunadamente, como tienes un cargador enchufado, debes tener 5 V accesibles. ¡Sería genial si pudieras alimentar tus dispositivos desde esa fuente de 5 V cuando esté presente y usar la batería cuando no lo esté! Normalmente usamos diodos para tales decisiones de energía, pero eso causaría una caída de voltaje adicional y pérdidas de energía cuando operamos con la batería. Afortunadamente, existe un circuito sencillo 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 ohmios, 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. el diodo en su lugar. Necesita un P-FET de nivel lógico: IRLML6401, CJ2305, DMG2301LK o HX2301A encajarían, y hay miles más que funcionarán. En cuanto a un diodo, un Schottky predeterminado como 1N5819 (SS14 para SMD) servirá. Es un circuito omnipresente y merece su lugar en las cajas de herramientas de circuitos.

Puedes comprar escudos y módulos que contienen todas estas piezas 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 mejorados, y no preocuparse por los detalles. Sin embargo, estos circuitos integrados tienden a ser más caros y mucho más sujetos a escasez de chips que la solución basada en componentes individuales. Además, cuando surgen problemas, comprender el funcionamiento interno ayuda mucho. Por lo tanto, es importante que los conceptos básicos queden desmitificados para usted y que no se sienta obligado a reutilizar las placas de powerbank la próxima vez que quiera hacer que uno de sus dispositivos sea portátil.

Esté atento a lo que están haciendo otras juntas directivas. A menudo, verá el circuito cargador + regulador + ruta de alimentación 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 powerbank o PMIC. A veces funcionarán mucho mejor que el circuito simple, a veces es todo lo contrario. Por ejemplo, algunas placas TTGO que funcionan con baterías utilizan chips de banco de energía y complican demasiado el circuito, lo que genera comportamientos extraños y mal funcionamiento. Por otro lado, una placa TTGO diferente utiliza un PMIC que es mucho más adecuado para dichas placas, lo que da como resultado un funcionamiento impecable e incluso un control granular de la administración de energía 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 caminar mientras pruebas un concepto tuyo. Espero haberte acercado un poco más a experimentarlo.

La próxima vez me gustaría hablar de baterías con varias celdas en serie: BMS, equilibrio y carga de paquetes de LiIon de diferentes fuentes. Sin embargo, eso me llevará bastante tiempo prepararme, ya que primero me gustaría terminar algunos proyectos relacionados, y te recomiendo que consultes esta cobertura nuestra si quieres obtener más información al respecto. Mientras tanto, ¡te deseo suerte en la construcción de tus proyectos que funcionan con baterías!