Микросхема CM1041. Описание принципа работы Battery protection IC для литиевых АКБ

CM1041 – это специализированный контроллер защиты батареи. Так называемая, Battery protection IC. На её базе выполнены многие защитные платы PCB (Protection Circuit Board) литиевых аккумуляторных батарей для устройств с автономным питанием.

Микросхема имеет несколько модификаций для разных типов литиевых аккумуляторов и может использоваться для защиты составных батарей из 3, 4 и 5 ячеек.

CM1031, CM1041, CM1051 – всё это модификации одной и той же микросхемы, но используемые для защиты батарей из 3, 4 и 5 последовательно соединённых аккумуляторов.

Третья цифра в маркировке как раз и указывает на количество литиевых ячеек в составной батарее, под которую рассчитана микросхема.

Типовая схема включения микросхемы с общими цепями заряда и разряда.

Полевой MOSFET-транзистор Q2 выполняет роль электронного ключа. Когда он открыт, через него протекает зарядный ток от подключенного к клеммам CH+ и CH- зарядного устройства.

Транзистор Q1 – это транзистор разряда. Через него протекает ток разряда, когда подключена нагрузка к клеммам P+ и P-.

Как видим, по схеме с общими цепями заряда-разряда получается, что при разряде через транзисторы Q1 и Q2 протекает одинаковый ток нагрузки. Из этого следует, что оба мосфета должны быть рассчитаны на одинаковый ток стока (I_D).

Если учесть тот факт, что нагрузка может потреблять значительный ток, например, это двигатель какого-либо электроинструмента, то транзистор заряда Q2 должен выдерживать такую же силу тока, что и транзистор разряда Q1.

Следующая схема позволяет использовать менее мощный транзистор заряда Q2, так как цепи заряда и разряда разделены между собой.

Типовая схема включения микросхемы CM1041-DS с разделением схемы заряда и разряда.

По данной схеме заряд аккумулятора осуществляется через отдельный разъём, на контакты которого (CH+, CH-) подаётся напряжение от зарядного устройства. Нагрузка подключается к клеммам P+ и P- минуя цепи заряда.

По точно такой же схеме собран модуль защиты литий-ионной батареи от шуруповёрта «Варяг» Professional ДА-16/2П.

Таблица №1. Назначение выводов микросхемы CM1041.

Микросхема CM1041 получает питание от самой аккумуляторной батареи. Плюс «+» подаётся на вывод 1 (VCC), а минус «-» на вывод 7 (VSS).

Так как существуют разные типы литиевых аккумуляторов, которые отличаются своими параметрами, например, минимальным рабочим напряжением или напряжением полного заряда, то выпускается несколько модификаций микросхемы CM1041.

Для сравнения, в таблице №2 приведены основные параметры двух модификаций микросхемы.

Таблица №2. Параметры микросхемы CM1041 для батарей с разным типом аккумуляторов.

По приведённым параметрам несложно понять, что версия CM1041-DS/DT подходит для литий-ионных аккумуляторов с катодом на основе кобальта (NCA, NMC), так как напряжение полного заряда для них находится в интервале 4,2...4,3V. В то время, как для литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LFP) напряжение полного заряда составляет 3,65V. Поэтому, для них подойдёт версия CM1041-GS/GT.

В документации на микросхему различные состояния и режимы обозначаются сокращёнными аббревиатурами, вот лишь некоторые из них:

• V_OC (Overcharge voltage) – напряжение перезаряда. Для разного типа литиевых аккумуляторов напряжение перезаряда различно. Например, для литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LiFePO₄, LFP) оно составляет 3,65V. Для литий-никель-кобальт-алюминий-оксидных аккумуляторов (LiNiCoAlO₂, NCA), – 4,2V. Поэтому под каждый тип аккумуляторов идёт своя модификация микросхемы. Так, для LiFePO₄ наиболее подходящая версия с индексом G, – CM1041-GS/GT;
• V_OCR (Overcharge release voltage) – напряжение сброса перезаряда. Имеется ввиду, сброс защиты. Напряжение на аккумуляторе, при достижении которого защита от перезаряда отключается;
• T_OC (Time overcharge) – время перезаряда. Время, в течение которого напряжение на аккумуляторе завышено, то есть достигло уровня V_OC;
• T_OCR (Time overcharge release) – время сброса перезарядки. Время, в течение которого напряжение на аккумуляторе не превышает допустимый уровень заряда. Так, например, напряжение перезаряда составляет 4,25V, а напряжение сброса защиты 4,15V (V_OCR);
• V_OD (Overdischarge voltage) – напряжение переразряда. Напряжение полного разряда аккумулятора, дальнейшее понижение которого приведёт к повреждению батареи или ухудшению её характеристик;
• V_ODR (Overdischarge release voltage) – напряжение сброса переразряда. Напряжение сброса (отключения) защиты от переразряда. Соответствует минимальному рабочему напряжению разряженного аккумулятора. Так, для большинства литий-ионных аккумуляторов составляет 2,7...3V;
• T_OD (Time overdischarge) – время переразряда. Время, в течение которого напряжение на аккумуляторе соответствует напряжению полного разряда аккумулятора;
• T_ODR (Time overdischarge release) – время сброса переразряда. Время, в течение которого напряжение на аккумуляторе соответствует напряжению полного разряда аккумулятора.

Для микросхемы CM1041 задержка срабатывания различных защит задаётся внешними конденсаторами:

• C_TOC – конденсатор задержки срабатывания от перезаряда;
• C_TOD – конденсатор задержки срабатывания от переразряда;
• C_TEC – конденсатор задержки срабатывания защиты от токовой перегрузки и КЗ.

Ёмкость конденсаторов C_TOC, C_TOD и C_TEC составляет 0,1μF, а рабочее напряжение не ниже 10V.

Всего у микросхемы CM1041 имеется 7 защит. Каждая из них имеет задержку срабатывания. Это минимальное время в течение которого должно выполняться определённое условие.

Защита от перезаряда.

Микросхема постоянно мониторит напряжение на каждой из ячеек составной батареи. Если напряжение на какой-либо из них превысит V_OC (например, уровень 4,25V), то контроллер отключит транзистор заряда Q2.

Время задержки срабатывания защиты от перезаряда задаётся конденсатором C_TOC, который подключен к выводу 8 (TOC).

Если напряжение на любом из четырёх аккумуляторов поднимается выше V_OC (4,25V для версии CM1041-DS/DT) и длится ровно или больше времени T_OC, то транзистор заряда Q2 закрывается, блокируя заряд аккумулятора.

При снижении напряжения на аккумуляторе до 4,15V (V_OCR) и, если оно длится не меньше времени сброса защиты от перезарядки (T_OCR), то защита отключается и заряд аккумулятора восстанавливается.

Защита от переразряда.

Если напряжение на любом из аккумуляторов батареи снижается до уровня переразряда (V_OD) и сохраняется на таком уровне в течение времени переразряда (T_OD) или дольше, то контроллер закрывает MOSFET-транзистор Q1. Ток в нагрузку не поступает.

Для сброса режима защиты от переразряда необходимо, чтобы напряжение на каждом из аккумуляторов батареи достигло уровня V_ODR и длилось в течение времени сброса защиты от переразряда (T_ODR).

Защита от перегрузки по току разряда и короткого замыкания.

Защита от перегрузки по току и короткого замыкания (КЗ) реализована следующим образом. Контроль осуществляется по выводу 13 (V_INI). С увеличением тока разряда, напряжение на выводе V_INI растёт.

Реализовано три порога срабатывания защиты:

• Когда напряжение на выводе V_INI выше, чем V_EC1 (0,085...0,115V) и длится не менее времени T_EC1 (0,5...1,5 s);
• Когда напряжение на выводе V_INI выше, чем V_EC2 (0,16...0,24V) и длится не менее времени T_EC2 (50...200 ms);
• Когда напряжение на выводе V_INI выше, чем V_SHORT (0,4...0,6V) и длится не менее времени T_SHORT (0,1...0,6 ms).

В любом из трёх случаев происходит отключение нагрузки с помощью транзистора Q1.

Чтобы сбросить режим защиты необходимо отключить нагрузку от аккумуляторной батареи. Микросхема узнаёт об отключении нагрузки или устранении КЗ по напряжению на выводе VM (16). Если оно менее 3V, то контроллер считает, что перегрузка или КЗ устранено и снова открывает транзистор разряда Q1.

Время задержки срабатывания T_EC1 и T_EC2 задаётся с помощью одного конденсатора C_TEC. Соотношение времени задержки составляет 10:1.

Защита от перегрузки по току заряда.

В процессе заряда батареи, если на выводе V_INI напряжение ниже уровня напряжения защиты от перегрузки по току зарядки V_CHA и длится в течение T_CHA или более, то транзистор заряда Q2 отключается. Заряд батареи блокируется. Такое состояние называется состоянием перегрузки по току заряда.

Защита сбрасывается, если отключается зарядное устройство. Микросхема имеет цепь обнаружения зарядного устройства и нагрузки. Мониторинг осуществляется по выводу 16 (VM). При отключении зарядного устройства напряжение на выводе VM становится больше порогового V_CHA и защита от перегрузки по току зарядки отключается.

Защита от отключения.

Контроль за состоянием каждого из аккумуляторов осуществляется по выводам VC1, VC2, VC3 и VC4 через цепь обнаружения напряжения.

Если произойдёт отключение аккумуляторов от одного или несколько выводов VC1, VC2, VC3 или VC4, то микросхема закрывает транзисторы заряда и разряда, полностью блокируя батарею. Такое состояние будет действовать до тех пор, пока не будет восстановлено правильное соединение ячеек аккумулятора и выводов микросхемы.

Судя по блок-схемам внутренней структуры аналогичных микросхем, цепь обнаружения напряжения выполнена на компараторах и резистивных делителях, которые и отслеживают уровни напряжения.

Температурная защита.

Литиевые аккумуляторы чувствительны к пониженной и повышенной температуре эксплуатации. Поэтому, заряд и разряд аккумуляторной батареи блокируется при низкой и высокой температуре.

В микросхеме реализовано три уровня срабатывания температурной защиты:

• Защита от низкой температуры зарядки, – TLCP (Temperature Low Charge Protection);
• Защита от высокой температуры зарядки, – THCP (Temperature High Charge Protection);
• Защита от разряда при высокой температуре, – THDP (Temperature High Discharge Protection).

К выводу RTS подключается терморезистор (NTC-резистор). Как правило, он имеет форму капли с двумя проволочными выводами и крепится на один из элементов батареи. Но, бывают и исключения. Терморезистор может быть в SMD исполнении и смонтирован прямо на печатной плате.

Температура срабатывания защиты от зарядки при низкой температуре TLCP зафиксирована на уровне -10°C. Поэтому, если температура аккумулятора менее -10°C, то заряд аккумулятора блокируется, мосфет Q2 закрывается и не пропускает ток от зарядного устройства.

К выводу RTV подключается резистор R_T. Он используется для установки порога срабатывания защиты от высокой температуры зарядки THCP.

В даташите на микросхему приведена таблица соответствия R_T и требуемой температуры THCP и THDP. В качестве датчика (R_NTC) используется терморезистор на 100 кОм (при 25°C) с коэффициентом температурной чувствительности B = 3950.

Таблица №3. Cоответствие R_T и требуемой температуры THCP и THDP.

При повышенной температуре разряд аккумулятора также блокируется, но уровень срабатывания THDP на 20°C выше уровня THCP (THDP = THCP + 20°C). Это хорошо видно по разнице между THDP и THCP в таблице №3.

Все три защиты сбрасываются, если температура изменяется на 10°C. То есть в случае повышенной температуры, она должна уменьшится на 10°C, например, с 60 до 50°C. В случае низкой температуры увеличиться на 10°C, например с -10°C до 0, чтобы заряд аккумулятора возобновился вновь.

Функцию температурной защиты у микросхем серии CM1041 можно отключить, если между выводом RTS и VSS установить резистор номиналом 1 кОм. Вывод RTV в таком случае никуда не подключается.

• Даташит на микросхемы серии CM1031/CM1041/CM1051 (архив .rar, ~752 КБ).

Главная → Мастерская → Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1.

• Восстанавливаем литий-ионную АКБ от шуруповёрта DeWalt.

• Ремонт сварочного инвертора «TELWIN Force 165».