筆記本電池充電控制器開源分享

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資料介紹

描述

該項目適用于那些想要將舊筆記本電腦變成便攜式 Raspberry Pi 的人。缺少的部分是為由 3 或 4 個串聯有線電池制成的原始鋰電池組充電的方法。這些電池與 Adafruit 和 Sparkfun 提供的充電器不兼容。為了解決這個問題，我在 Eagle 中設計了一個電路板，它使用Max1873充電控制器和ATtiny85作為主管。下面顯示的電路板由 OSH Park 制造。Eagle 板和原理圖文件以及 ATtiny 代碼可以在下面下載。

OSH Park 電路板“Charge_Controller”

Max1873 已經存在很長時間了，需要一個微控制器來處理較新的內置充電器 IC 所具有的任務。我之前有過使用該芯片的經驗，并且發現它很容易上手。除了給鋰電池充電外，Max1873 還可以給 NiCd 或 NiMH 電池充電。下面的示意圖顯示了 ATtiny85 如何由 Max1873 中的 5.4 伏穩壓器供電。這意味著 ATtiny 僅在插入墻上電源時才運行。ATtiny 輸出一個邏輯信號，該信號打開 NFET，從而禁用 Max1873。這個 5.4 伏邏輯信號被衰減到 3.3 伏電平，因此它可以被 Pi 監控。如果 ATtiny 未安裝在其插座中，則將啟用 Max1873。Pi 可以驅動“Charger_TP”

Max1873的R、S或T版本根據電池組中的串聯電芯數量來使用，簡稱2S、3S或4S。也可能有 2 或 3 個電池并聯，稱為 2P 或 3P，但這不會影響電壓。我的戴爾 D630 電池組是 3S2P 配置，標記為 11.1 伏和 58 瓦時。

印在電池組上的電壓通常是標稱值，但有時也是最大值，所以要小心。對于具有 3 個串聯電池的電池組，標稱電壓將為 11.1 伏或 10.8 伏，具體取決于它們對“標稱”的定義。4 個串聯電池的標稱電壓為 14.4 伏或 14.8 伏。

Adafruit和Battery University有幾種鋰電池的電壓信息。Adafruit 表示，較舊的鋰電池的額定電壓最高為 4.1 伏，標稱電壓為 3.6 伏，但更常見的鋰電池的額定電壓最高為 4.2 伏，標稱電壓為 3.7 伏。電池大學表示，普通鋰電池的最大額定電壓為 4.2 伏，標稱電壓為 3.6 伏，但許多制造商聲稱標稱電壓為 3.7 伏，以獲得更高的瓦時額定值。有更新的鋰電池，最大額定電壓為 4.35 伏。通過使用電阻器 R5 和 R6 設置最大電池電壓，Max1873 可以與所有這些電池一起工作（見下圖）。最常見的電池電壓的電阻值是：

4.1 伏最大電池電壓：R5 = 54.9KΩ 和 R6 = 147KΩ。

4.2 伏最大電池電壓：R5 = 100KΩ 和 R6 = 100KΩ。

4.35 伏最大電池電壓：R5 = 169KΩ 和 R6 = 32.4KΩ。

如果您不確定最大電池電壓是多少，請使用 4.1 伏電阻值以確保安全。

Max1873電池充電器

19 VDC 輸入通過一個 5 安培的慢熔保險絲和肖特基阻塞二極管。R9 將輸入電流限制設置為 3 安培。Max1873 將降低電池充電電流以將輸入電流保持在 3 安培以下。R1 將電池充電電流限制設置為 1 安培。下圖顯示了電池從空到滿的充電情況。恒流階段將充電電流保持在 1 安培，然后在電流下降時進入恒壓階段。電流將繼續下降，直到達到“涓流充電”水平。

CC-CV 圖

電池大學說：“持續的涓流充電會導致金屬鋰電鍍并危及安全。” 為了解決這個問題，ATtiny 監控充電電流并在特定值時禁用充電器。Max1873 在引腳 7 上輸出與充電電流成正比的電壓。在 1 安培的充電電流下，引腳 7 輸出 4 伏特，衰減到 1 伏特并饋入 ATtiny 的 ADC，如下圖所示。1.1 伏內部 ADC 參考在 ATtiny 代碼中選擇。當充電電流降至 350ma 以下時，ATtiny 代碼會禁用 Max1873 以避免涓流充電。當充電電流低于 350ma 時，Dell D630 電池通過 SMBus 報告 100% 充電狀態 (SOC)。我已經測試了要求充電電流低于 100ma 才能聲稱 100% SOC 的其他電池組。可能需要針對您的特定電池進行實驗。不需要達到 100% SOC，而且如果您盡早終止充電，這將延長您的電池壽命。終止充電的值可以在 ATtiny 代碼中輕松調整。

電流監視器

許多筆記本電池有一個內部 10KΩ NTC 熱敏電阻，因此主板可以測量溫度。戴爾 D630 電池沒有熱敏電阻引腳，因此我在電池倉中添加了一個熱敏電阻，并按下圖所示進行接線。

溫度監控器

熱敏電阻 490-7171-ND 的溫度與電阻測試結果如下所示。如果初始加電后的溫度變化增加超過 10 度，ATtiny85 代碼將禁用 Max1873。

10KΩ熱敏電阻

電池電壓衰減了 1/17，因此可以將其饋入 ATtiny 的 ADC 輸入，如下所示。這種衰減會將 4S 電池的 16.8 伏電壓降至 1 伏以下，以便 ATtiny 中的 ADC 可以讀取它。

電池電壓監控器

可以修改 ATtiny 代碼以監視過壓情況，但由于 ADC 的低分辨率和導致誤報的嘈雜環境，這將很困難。我的代碼監控此電壓以查看電池是否低于 0% SOC。如果 3 系列電池組的電池電壓低于 9 伏，或 4 系列電池組的電池電壓低于 12 伏，則啟用 Max1873 以每 2 秒以 1 安培的電流對電池進行短時間充電，以緩慢地對電池進行預充電一種 PWM 方式。“開啟”時間隨著電壓的增加而變長。其他充電控制器 IC 提供降低的充電電流以對嚴重耗盡的電池進行預充電，但 Max1873 無法做到這一點。

ATtiny 跟蹤充電時間并在 300 分鐘后禁用電池充電。一旦您知道為您的電池組充電通常需要多長時間，就應該更改此值。我的 Dell D630 電池從電量耗盡到充滿需要 230 分鐘。

我已經制作了 3 個版本的 Max1873 充電器板，隨著我了解的更多，改進了各種設計項目。我增加了處理高電流的電路板走線的寬度。我希望 1 盎司的銅跡線寬度能夠處理至少 3 安培的電流，而溫度升高不超過 10oC。IPC-2152列線圖顯示我至少需要 4 毫米寬的跡線。我板上最小的電源走線寬度超過 5 毫米。

我在早期版本的設計中使用肖特基二極管將電池“Or-Tie”到負載。在最新的電路板設計中，通過使用“理想二極管”消除了二極管的 0.4 伏壓降。這包括一個由 LTC4412 控制的 P 溝道 FET，如下所示。

理想二極管“或領帶”

根據數據表，使用 Max1873R 時，電池電容器 C22 的 ESR 應低于 1Ω，值為 68μF。Max1873S 可降至 47μF，Max1873T 可降至 33μF。我將零件清單中給出的Kemet 68μF 電容器與 Max1873R 和 S 芯片一起使用。它的 ESR 低于 200mΩ。

回流焊爐或熱風返修臺效果最好，但如果您可以使用烙鐵，則可以組裝此板。我手工焊接了第一塊板，并使用我的 DIY回流爐焊接第二塊板，并用注射器涂抹焊膏。對于第三塊板，我使用如下所示的模板來粘貼。這給出了最好的結果，需要零返工。

焊錫模板

。74HC132A 施密特觸發器四 NAND 作為 SR 鎖存器連接，以控制 5 伏和 10 伏降壓穩壓器上的使能引腳。鎖存器的置位和復位輸入為低電平有效。按下鍵盤上的“On”按鈕會向鎖存器的“Set”輸入發送一個低電平。“Q”輸出鎖存為高電平并用反相器緩沖以將降壓穩壓器使能引腳驅動為低電平。當 Teensy 從 Pi 接收到關閉信號時，它會將鎖存器的“重置”輸入驅動為低電平（通過逆變器），導致降壓調節器的啟用信號變高。Pi 可以直接連接到閂鎖，但我將 Teensy 放在中間，這樣即使 Pi 被鎖定，它也可以關閉筆記本電腦。如有必要，Teensy 還可以在關閉電源之前提供延遲。閂鎖電路必須在筆記本電腦關閉時運行，因此它由一個單獨的 3.3 伏線性穩壓器供電，該穩壓器由電池或 19 伏輸入供電。在筆記本電腦關閉的情況下，電池負載包括 3.3 伏穩壓器、Max1873、quad NAND、LTC4412 的靜態電流，以及 ATtiny85 電池監視器的分壓器。這些負載在最壞情況下消耗 310ua（測得 285ua）。將此與電池組內部自放電（每月 2%）加上消耗約 363ua 的保護電路（每月 3%）進行比較。全部一起，