Контроллер батарейного питания для arduino

В ходе экспериментов и сборок различных устройств на arduino мне часто приходили мысли добавить в них аккумулятор. Однако решения от "китайцев" доступные на рынке мне не сильно нравились. Я решил сделать простой модуль, позволяющий добавить в любое ваше устройство аккумулятор, да и еще и с кучей всевозможных защит. Для построения такого модуля я выбрал микросхему BQ25606 от Texas Instruments. Ссылка на datasheet (https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25606.pdf). В ней есть все функции, которые могут быть полезны диайвайщику.

Микросхема имеет два режима работы. Первый режим - зарядка. В этом режиме напряжение Vbus используется как входное напряжение для зарядки аккумулятора. При этом, входной ток можно регулировать подбором сопротивления R_Ilim, а ток зарядки сопротивлением R_Ichg. Контроллер мониторит уровень заряда батареи и температуру (сопротивление термистора). Во втором режиме - boost, микросхема умеет генерировать из напряжения батареи 5.1 В на линию Vbus с максимальным током в 1.2 А. То есть, к этой микросхеме можно не добавлять повышающий модуль, она и так умеет повышать напряжение до 5В, чтобы запитать, например, arduino. Ниже привел блок схему BQ25606 из datasheet'а.

Собрал тестовый модуль для проверки всех заявленных возможностей микросхемы. В качестве батареи использовал сборку из 6 литий ионных аккумуляторов подключенных параллельно, каждая батарея емкостью примерно в 3500 мА/ч, т.е. общая емкость около 21000 мА/ч. 

Печатные платы заказывал через сервис NEXTPCB: https://www.nextpcb.com/register?code=cxemwjm

Качество изготовления плат мне понравилось, советую. Лак держит нагрев, дорожки не отрываются. Все красиво и четко. В комплекте еще брелок положили)

Для начала, проверим регулировку тока потребления и заряда батареи. Для этого на плате предусмотрены подстроечные резисторы. Если взглянуть на datasheet микросхемы BQ25606, то можно увидеть, что входной ток и ток заряда задается резисторами, которые считаются по простой пропорции: R = K / I, где коэффициент K для входного тока это 478, а для тока зарядки 677. Резистор для входного тока будет использоваться микросхемой только в том случае, если ей не удастcя опознать мощность подключенного по usb блока питания и по сути он ограничивает входной ток потребляемый схемой от источника питания. Ниже я привел таблицу всех возможных вариантов ограничения входного тока.

Резистор в цепи регулирования заряда ограничивает максимальный ток, с которым будет заряжаться батарея. Получается сначала ограничивается входной ток, а дальше уже ток зарядки, т.е. при выставленном токе заряда в 2 ампера, если входной ток будет ограничен на уровне 1 ампер, то и ток зарядки будет не больше 1 ампера (по факту чуть меньше ибо КПД не идеальный).

Я выставил ток заряда в 2.5 ампера и запустил тест зарядки. Микросхема ощутимо нагревается и в определенный момент начинает сбрасывать ток зарядки, чтобы не перегреться. При этом изменяя входное напряжение заряда, которое можно повысить до 13.5 вольт, можно увидеть изменение потребляемого тока.

Я думаю, оптимальным решением станет установка резистора для ограничения входного тока номиналом 470 Ом. При этом входной ток будет ограничен на уровне около 1 А, а ток зарядки 1.44 А. И как я писал выше, ток зарядки поднимется до 1.44 А только когда микросхема задетектит мощный блок питания, во всех остальных случаях зарядка будет также не больше одного ампера. 

Вообще, микросхема BQ25606 очень умно заряжает батареи, контролирует нагрев через NTC и способна определять аккумуляторы, которые уже непригодны к работе и сообщать об этом.

После тестирования макета, я модифицировал принципиальную схему и решил привести модуль к более практичному виду.

По схеме, диод D1 предотвращает утечку 5В в блок питания при подключении зарядки с включенным режимом boost в BQ25606 (когда микросхема генерирует 5В). При подключении блока питания к USB разъему, транзистор Q1 притягивает вывод микросхемы OTG к земле и переводит её в режим зарядки вне зависимости от включенного режима с помощью тумблера SW1.

Ну и тестирование на уровень пульсаций по 5В выходу. 

Для начала запуск преобразователя, слева без нагрузки, справа с нагрузкой в 1А. Емкость на выходе преобразователя 22 мкФ.

Пульсации при нагрузке в 1А и емкости на выходе 22 мкФ составили 1.5 В, поэтому емкость выхода необходимо увеличить, до 220-470 мкФ. Ниже график пульсаций, слева емкость выхода 22 мкФ, справа 220 мкФ.

Ну и запуск преобразователя с емкостью в 220 мкФ и током потребления в 1А выглядит следующим образом

При работающем boost режиме, если подать питание на схему, то на выходной линии 5В наблюдаются выбросы, связанные с переключением режимов. Слева - запуск зарядки, справа - отключение зарядки, где видно некоторую паузу, которая необходима контроллеру для запуска boost режима, а дальше софт старт. Картинки сняты при подключенной нагрузке в 1А. Эти осциллограммы были сняты с тестового образца без индуктивности на выходе. Тем не менее, видно, что при подключении зарядки к такому модулю произойдет кратковременное отключение, что надо учитывать. Хотя на малых потреблениях, эта просадка напряжения сгладится емкостью питания.

Также стоит отметить, что при значениях емкости на 5В выходе больше 1000 мкФ микросхема не сможет запустить boost режим, так как начальный ток зарядки конденсатора будет триггерить схему защиты по току. При этом будет мигать светодиод подключенный в выводу STAT. Частично для уменьшения этого эффекта в схему была добавлена индуктивность L1.

Печатную плату для итогового устройства развел на стриме: https://youtu.be/zd9VTNEoVy0 

В общем, получилась платка, к которой можно подключить аккумулятор, лежащий под руками и получить полноценное батарейное питание для вашего устройства. Плата будет контролировать заряд и разряд, не позволяя аккумулятору переразрядиться, или перезарядиться, или нагреться. Надеюсь проект будет кому-то полезен, если так, то поставьте статье лайк. Вам не сложно, а мне приятно, спасибо!

Исходники проекты можно найти тут: https://oshwlab.com/naym1993/power_battery_5_volt

Хочется сказать большое спасибо Lightning666 за помощь в тестировании проекта. 

Пишите ваши вопросы в комментариях. Спасибо за внимание, пока!

Теги:

• Arduino
• Литий-ионный аккумулятор
• diy