Moduł do prototypowania - zasilanie USB-C z PD

[MR1979]

Hej!

Właśnie pracuję nad kolejnym projektem który korzysta z baterii Li-Po 1S 4000mA która ma być ładowana z USB.

Układ z którego do tej pory zawsze korzystałem (MCP73871) okazał się nie wystarczający bo pozwalał na ładowanie max prądem tylko 1A przy wybraniu jako źródła zewnętrznego zasilacza, oraz 100mA lub 500mA przy wybraniu jako źródła USB. Jak łatwo policzyć przy USB 2.0 i 500mA naładowanie baterii 4000mA będzie trwać 7-8h.

Mógłbym też ręcznie wykrywać spadki napięcia na linii CC portu USB-C, ale układ nie wykorzystywałby wtedy pełni możliwości autorskich ładowarek do tel komórkowych które nie są kompatybilne z USB-C PD.

Zaszła więc potrzeba poszukania układu ładowania o lepszych parametrach. Wybór padł na MAX77751.

Posiada następujące właściwości:
- Max prąd ładowania baterii 1S do 3A
- Automatyczne wykrywanie ładowarek w standardzie USB-C PD
- Automatyczne wykrywanie autorskich systemów ładowania Apple i Samsung
- Łatwa konfiguracja głównych parametrów dwoma rezystorami i jedną zworką
- Możliwość przełączenia układu w tryb USB-C Source - w takim trybie może zasilać z podłączonej baterii zewnętrzne urządzenie napięciem 5V do 1.5A
- Zintegrowany Power-Path

Po więcej informacji odsyłam do datasheet.

I to wszystko w małej obudowie QFN 3mm x 3mm

A, i najważniejsza zaleta: Jest dostępny do kupienia Więc kupiłem zapas

Ale dosyć gadania, oto fotki gotowego i przetestowanego modułu:

Nie ukrywam że nie jest to jakiś skomplikowany projekt, bo przeniosłem podstawową aplikację układu z datasheet na PCB. Mogłem też kupić evaluation board z tym układem, ale samodzielne wykonanie i zaprojektowanie takiego modułu pozwala się więcej nauczyć. Przy okazji potwierdziłem że dam radę polutować ten IC w warunkach domowych. Rezystory do konfiguracji osadziłem w gniazdach kołkowych.

Moduł sprawuje się świetnie. Przetestowałem z następującymi ładowarkami:
- Samsung 5V 1.5A
- Nokia 5V 2.5A
- Green Cell 5V 3A
- Zasilacz USB 2.0 500mA
- Gniazdo USB laptopa 5V 500mA
- Zasilacz laboratoryjny 5V 3A bezpośrednio na linię Vbus

Na wyjściu układu są dwie linie typu otwarty kolektor:
- STAT - określa trzy stany: ładowanie w trakcie, ładowanie zakończone, błąd ładowania
- INOKB - pozwala ustalić czy negocjacja max prądu z ładowarką została ukończona

To drugie wyjście pozwala np na sterowanie linią SEL multipleksera USB aby podłączyć linie D+ i D- do uC zaraz po zakończeniu negocjacji prądu ładowania.

W docelowym projekcie będę korzystał z multipleksera FSUSB20MUX.

To na tyle. Schemat modułu w załączniku.

Pozdr,
Marek

 

schematic.pdf

[pmochocki]

Na pewno projekt zachęcił mnie do zajrzenia do not katologowych: MAX77751 i FSUSB20MUX. 

Szkoda, że nie napisałeś więcej o:

Dnia 9.12.2021 o 14:50, MR1979 napisał:

Łatwa konfiguracja głównych parametrów dwoma rezystorami i jedną zworką

Dla osób, które jak ja nie zajmowały się tematyką ładowania Li-Po ani USB, byłoby to ułatwienie. 

Zainteresowało mnie, że w każdym z testów napięcie miało 5V. Doczytałem w nocie katalogowej, że układ jest "The USB charger detection is USB BC1.2 compliant with the ability to automatically detect some common proprietary 
charger types." 

Jeśli czas ładowania był istotny, myślałem, że pójdziesz w kierunku: https://en.m.wikipedia.org/wiki/USB_hardware#USB_power_delivery

Rozważałeś tą opcję? Nie ma takich układów, które obsługują ten tryb? Są za drogie? 

Edytowano Grudzień 11, 2021 przez pmochocki

[MR1979]

Zarówno w przypadku układu MCP73871 (korzystałem wcześniej) jak i MAX77751 (korzystam aktualnie) parametry ładowania ustala się przez rezystory konfiguracyjne oraz wybór odpowiedniej wersji układu.

Nas interesują głównie:
1. Maksymalne napięcie ładowania (4,2V dla standardowych ogniw Li-Po, ale zdarzają się też ogniwa gdzie jest to 4,1V lub 4,3V) - info w nocie katalogowej
2. Maksymalny prąd ładowania - info w nocie katalogowej baterii
3. Prąd zakończenia ładowania - ja przyjmuję 10% pojemności baterii lub jak najbliżej tej wartości (np dla 4000mAh jest to 400mA), ale w notach baterii najczęściej znajdziesz niższą wartość. Ja wolę być po bezpiecznej stronie ze względu na żywotność baterii.

Zależnie od max napięcia ładowania dobierasz wersję układu. W nocie katalogowej są wyszczególnione dodatkowe oznaczenia. Czyli jak już raz zdecydujesz się na konkretne baterie (np ładowane do 4,2V) to już możesz korzystać tylko z takich. Pojemność możesz zmieniać, ale może oznaczać to wymianę rezystorów konfiguracyjnych.

I tak dla mojej baterii 4000mAh (nota w załączniku) oraz układu ładowania MAX77751 (nota w załączniku w poprzedniej wiadomości) dobieramy:
1. Układ MAX77751CEFG+ - wersja na 4,2V
2. Maksymalny prąd dla tej baterii to 1C, czyli 4000mA. Żeby wydłużyć żywotność ograniczmy się do 0,5C czyli  2A. Wg noty układu ładowania da nam to R(Ifast) = 14k
3. Prąd zakończenia ładowania dla tej baterii to 0,05C, czyli 200mA. Ja jednak wolę wydłużyć żywotność baterii i zakończę ładowanie na 350mA. Da nam to R(Itopoff) = 24,3k

Bateria jest ładowana w systemie CC/CV. Czyli najpierw regulowane jest napięcie aby utrzymać maksymalny prąd ładowania (dla naszego przypadku 2A). Napięcie to będzie powoli rosło aż dojdziemy do wartości granicznej 4,2V. W tym momencie przechodzimy do trybu CV, gdzie napięcie jest stałe, a prąd powoli maleje. Gdy prąd ten zmaleje poniżej naszej wartości granicznej (350mA), ładowanie się kończy.

Pełna obsługa Power Delivery ze zmianą napięć dla pojedynczych ogniw (1S) jest niepotrzebna. 5V przy 3A, czyli 15W to bardzo dużo i wystarczy by naładować praktycznie każdą baterię 1S w rozsądnym czasie.  Nawet największe dostępne ogniwa 1S 10000mAh naładujesz 3A w niecałe 3,5h.
 

Sprawa wygląda zupełnie inaczej w przypadku ogniw 2S i o wyższych napięciach. Tam trzeba posłużyć się już bardziej rozbudowanymi układami ładowania, najczęściej konfigurowanymi przez I2C i z zewnętrznymi mosfetami. Takim układem posłużyłem się w projekcie zasilania do robota:

Pozdrawiam,
Marek

 

BATTERY_cel0074.pdf

Edytowano Grudzień 11, 2021 przez MR1979

[pmochocki]

@MR1979 przepraszam, że zmusiłem Ciebie do tłumaczenia na zapałkach... Dziękuję za wyjaśnienie. 

[pmochocki]

@MR1979 gdzie kupiłeś MAX77751? Farnell, TME nigdzie nie ma... 

[MR1979]

W październiku był w Farnell w znacznych ilościach

Aktualnie jest do dostania z Mouser (dla każdego) i RS Components (tylko dla firm).

Obie firmy oferują darmową wysyłkę powyżej pewnej kwoty

Edytowano Styczeń 5, 2022 przez MR1979

[MR1979]

Hmmm... sprawdziłem teraz Farnell i jest 535 sztuk dostępnych.

https://pl.farnell.com/maxim-integrated-products/max77751cefg/batt-charger-li-ion-pol-4-2v-85deg/dp/3536071

Pozdr

 

[pmochocki]

38 minut temu, MR1979 napisał:

Hmmm... sprawdziłem teraz Farnell i jest 535 sztuk dostępnych.

https://pl.farnell.com/maxim-integrated-products/max77751cefg/batt-charger-li-ion-pol-4-2v-85deg/dp/3536071

Dzięki. Musiałem coś źle wczoraj sprawdzić. 

1 godzinę temu, MR1979 napisał:

Jak chcesz zrobić dokładnie taki sam układ to mogę ci odstąpić jedną lub dwie PCB (bo mam ich jeszcze 4) - wyślij PM to się zgadamy.

Chętnie skorzystam.