リチウム

ここまでで、LiIon の取り扱いの基本と仕組みについて説明しました。 リチウムイオン電池を中心とした回路を設計する場合には、直接的な提案が記載されたクックブックからも恩恵を受けることができると思います。 ここでは、長年にわたって私にとってうまくいったLiIonレシピのコレクションを紹介したいと思います。

私が単一シリーズ (1sXp) セル構成について説明するのは単純な理由です。複数シリーズ構成は、私自身が広範囲に取り組んだものではないと考えているからです。 単一シリーズの構成だけでもかなり広範な記事になりますが、LiIon の取り扱いに精通している方は、ぜひコメント セクションでヒント、コツ、観察を共有してください。前回はかなりの興味深い点を取り上げました。 ！

デバイスに追加したセルを充電する方法はたくさんあります。さまざまな充電器 IC やその他のソリューションを自由に使用できます。 もっと知っておくことが重要であると考えられる 1 つの特定のモジュールに焦点を当てたいと思います。

おそらく青い TP4056 ボードを見たことがあると思います。これらは安価で、Aliexpress の注文 1 回で大量のボードを所有でき、12 枚のボードがわずか数ドルで買えます。 TP4056 は、最大 1 A のレートでセルに充電できる LiIon 充電器 IC です。多くの TP4056 ボードには保護回路が組み込まれており、そのようなボードは LiIon セルを外部の世界からも保護できることを意味します。 このボード自体をモジュールとして扱うことができます。 5 年以上にわたり、PCB の設置面積は変わっておらず、LiIon の充電と保護が必要な場合は、TP4056 ボードの設置面積を独自の PCB に追加できるほどです。 私はこれをよく行います。TP4056 とそのすべてのサポート コンポーネントをはんだ付けするよりもはるかに簡単で、さらに安価です。 KiCad のフットプリントも必要な場合は、こちらを参照してください。

これはリニア充電器 IC です。1 A 出力が必要な場合は 1 A 入力が必要で、入出力電圧差と電流の積が熱に変換されます。 ありがたいことに、TP4056 モジュールは高温に十分に対処できるように構築されており、必要に応じてヒートシンクを追加できます。 最大充電電流は、グランドといずれかのピンの間の抵抗によって設定されます。デフォルトの抵抗は 1.2 kΩ で、電流は 1 A になります。 低容量セルの場合は、10 kΩ の抵抗に置き換えて 130 mA 制限を設定できます。また、中間値の表をオンラインで見つけることができます。

TP4056 IC には、モジュールをそのまま使用している場合、ほとんどの人が知らない優れた点がいくつかあります。 IC の CE ピンは 5 V VIN に配線されていますが、そのピンを持ち上げると、MCU からのロジック レベル入力で充電を無効または有効にするために使用できます。 MCU の ADC を PROG ピン (電流設定抵抗に使用されるのと同じピン) に接続することで、充電電流を監視できます。 また、サーミスタ ピンもあり、通常はアースに配線されますが、パウチ セルに取り付けられたサーミスタであっても、18650 ホルダーに外部に追加されたサーミスタであっても、抵抗分圧器を使用して幅広いサーミスタに適応できます。

TP4056 にも問題があります。これは非常に単純な IC です。 壁面電源が利用できる場合、効率は必須ではありませんが、TP4056 はかなりの量の電力を熱として浪費します。 スイッチング充電器ベースのモジュールはそれを回避し、多くの場合、必要に応じてより高い電流での充電も可能にします。 セルを逆に接続すると、チップが壊れ、保護回路も壊れます。この間違いは犯しやすいものです。私も何度もそうしてきました。だからこそスペアが必要なのです。 セルの接点を逆にした場合は、ボードを捨ててください。欠陥のある IC でセルを充電しないでください。

また、TP4056 の人気を考慮して、この IC のコピーは中国の複数の異なるチップ ベンダーによって製造されており、これらのコピー IC の一部は他のものよりも壊れやすく、たとえば、セルを充電できなくなることが観察されています。繰り返しになりますが、予備品。 TP4056 には、他の最新の IC のような充電タイマーもありません。これについては、最初の記事のコメント セクションで触れました。

全体として、これらのモジュールは強力であり、かなり汎用的です。 4.3 V セルの充電に使用しても安全です。CC/CV 動作により、セルは単純にフル容量まで充電されず、副作用としてセルの寿命が延びます。 このようなモジュールを超える必要がある場合、小型のリニア充電器、スイッチング充電器、パワーパスや DC-DC レギュレータ機能を内蔵した充電器、LiIon を実行する多数の IC など、利用できる IC が無数にあります。副作用として充電されます。 LiIon 充電器 IC の世界は広大で、TP4056 以外にもたくさんのものがありますが、TP4056 は素晴らしい出発点です。

充電 IC と同様に、世の中には多くの設計がありますが、DW01 と 8205A の組み合わせについては知っておくべき設計があります。 これは非常に普及しているため、店頭で購入したデバイスの少なくとも 1 つはこれを含んでいる可能性が高く、TP4056 モジュールにもこのコンボが付属しています。 DW01 はセルの電圧とセルに出入りする電流を監視する IC で、8205A は 2 つの N-FET を 1 つのパッケージに収め、実際の「バッテリの接続と切断」部分を支援します。 追加の電流検出抵抗はありません。代わりに、DW01 が 8205A ジャンクション間の電圧を監視します。 言い換えれば、故障時にセルを外界から遮断するために使用されるのと同じFETが、電流検出抵抗として使用されます。 このデザインは安価で普及しており、驚異的な効果を発揮します。

DW01 は過電流、過放電、過充電から保護します。最初の 2 つは趣味のプロジェクトでは比較的頻繁に起こりますが、最後の 1 つは充電器が故障した場合に役立ちます。 何か問題が発生すると、セルのマイナス端子と回路の GND の間の接続が遮断されます。言い換えれば、ローサイド スイッチングが行われます。単純な理由として、GND を遮断する FET の方が安価で、抵抗が低いからです。 また、このチップを使用して行われたハッキン​​グもいくつか確認しました。たとえば、DW01 が回路のソフト電源スイッチとして使用できることを発見したハッカーの研究を、妥協のない方法で取り上げました。安全性。 MCU の GPIO ピンを、できればダイオードを介して DW01 に接続するだけで済みます。このコメントは、私にとってかなり失敗しにくいと思われるアプローチを説明しています。

初めてリチウムイオン電池を DW01+8205A の組み合わせに接続すると、出力が有効になる場合と、有効にならない場合があります。 たとえば、18650 用のホルダーとそれに接続された保護回路がある場合、バッテリーを挿入すると回路に電源が投入される確率は 50/50 です。 解決策は簡単です - 外部に充電器を接続するか、OUT-とB-を金属製のもので短絡します（私はよく外部ボタンを追加します）が、対処するのが面倒です。 TP4056 と同様に、DW01 + 8205A コンボは、バッテリーを逆に接続すると機能しなくなります。 また、DW01 は 2.5 V 過放電カットオフ用に内部配線されていますが、これは技術的に変更できません。 個別のソフトウェア制御のカットオフがない場合、FS312 は 3.0 V 過放電点を備えたピン互換の DW01 の代替品であり、セルの寿命を延ばすのに役立ちます。

すぐに使える保護回路モジュールをまとめて購入することも、TP4056 モジュール PCB にレイアウトされた保護回路をそのまま使用することもできます。 また、単セル電池が膨張したり切れたりしたときに保護回路を取り出すことで、保護回路を十分にストックしておくこともできます。その際、セルに穴をあけないように注意してください。

4.2 V の LiIon セルの場合、有効な電圧範囲は 4.1 V ～ 3.0 V です。4.2 V のセルは、そこから電力を引き出すとすぐに 4.1 V に低下します。3.0 V 以下では、通常、セルの内部抵抗は十分な速さで上昇します。細胞から有用な電流があまり得られなくなるということです。 1.8 V または 2.5 V にしたい場合は問題ありませんが、5 V にしたい場合は、何らかの昇圧レギュレータを使用することになります。 ただし、当社のチップのほとんどは依然として 3.3 V で動作します。ここでどのようなオプションがあるかを見てみましょう。

LiIon の範囲から 3.3 V までのレギュレーションに関しては、リニア レギュレータは効率の点でスイッチング レギュレータに僅差であり、多くの場合、低電力動作を求める場合には静止 (無負荷) 電流が低くなり、アナログ動作を行う場合にはノイズが低くなります。 。 とはいえ、通常の 1117 では役に立ちません。古くて非効率な設計で、1117-33 は約 4.1 V で動作し始めます。代わりに、AP2111、AP2114、BL9110 などのピン互換の低ドロップアウト電圧の代替品を使用してください。 SOT23 に問題がない場合は、AP2112、MIC5219、MCP1700、ME6211 を使用します。 これらはすべてリニア レギュレータであり、ESP32 などに電力を供給したい場合は、3.5 V までの入力で 3.3 V を供給することができ、場合によっては 3.4 V を供給することもできます。 リニア レギュレータの使用が簡単であることを否定するのは困難です。必要なのは 1 つのチップといくつかのキャップだけです。

500 mA ～ 1000 mA、またはそれ以上の電流を継続的に必要とする場合は、スイッチング レギュレータが最適です。 私の個人的なお気に入りは PAM2306 です。このレギュレーターは Raspberry Pi Zero で使用されており、非常に安価で入手しやすく、2 つの独立した出力レールもあります。 100% のデューティ サイクル動作を実行できる機能を備えているため、セルから多くの機能を抽出でき、ランタイムが重要な高出力プロジェクトには望ましいことがよくあります。 もし、CPU が故障した Pi Zero を手に入れたなら、PCB の一部を切り取ってそこにワイヤーを半田付けしても間違いはありません。 独自の基板を設計するときに、「適切なインダクタの選択」全体が混乱する場合は、データシートのインダクタ パラメータの推奨事項を使用してください。

つまり、PAM2306 は Pi Zero のレギュレータであり、LiIon にも対応しているということでしょうか? はい、すべてのオンボード回路は「5 V」ピンで 3.3 V まで動作するため、LiIon バッテリーから直接 Pi Zero に電力を供給できます。 私は自分のデバイスでこれを広範囲にテストしましたが、Pi Zero 2 W でも動作します。このパワーパスと充電器を組み合わせると、Raspberry Pi のすべての力を備えた完全な「バッテリー駆動 Linux」パッケージが完成します。ほんの少数のコンポーネントのコストで提供されます。 注意すべき問題の 1 つは、MicroUSB ポートの VBUS にバッテリー電圧があることです。つまり、誰かがそこに MicroUSB PSU を接続した場合に備えて、MicroUSB ポートにホットグルーを充填し、USB の USB データ テストポイントをタップするのが最善です。接続性。

これで、充電が完了し、3.3 V が得られました。注意していただきたい問題が 1 つあります。充電器は電流測定に依存しているため、バッテリーの充電中はバッテリーから電流を引き出すことができません。充電を制御するため。 充電器を余分な負荷と混同すると、バッテリーが過充電される危険があります。 幸いなことに、充電器が接続されているため、5 V にアクセスできる必要があります。 5 V 電源があるときはそこからデバイスに電力を供給し、ないときはバッテリーを使用できれば素晴らしいでしょう。 通常、このような電力の決定にはダイオードを使用しますが、バッテリーで動作させる場合、余分な電圧降下と電力損失が発生します。 ありがたいことに、はるかにうまく動作する、3 つのコンポーネントからなる単純な回路があります。

この電力経路回路では、P-FET がダイオードの 1 つの役割を果たし、充電器が存在しない間は抵抗が FET を開きます。 P-FET には電圧降下はありませんが、その代わりに数分の 1 オームの抵抗があるため、充電器が接続されていないときの損失を回避できます。充電器が接続されると、FET が閉じ、充電器から回路に電力が供給されます。代わりにダイオードを使用します。 ロジックレベルの P-FET が必要です。IRLML6401、CJ2305、DMG2301LK、または HX2301A が適合しますが、他にも機能するものが何千もあります。 ダイオードに関しては、1N5819 (SMD の場合は SS14) のようなデフォルトのショットキーで十分です。 これはユビキタスな回路であり、回路ツールボックスに入る価値があります。

これらすべての部品、場合によってはそれ以上の部品を 1 つのボード上に含むシールドとモジュールを購入できます。 この回路のすべてまたは一部の部品を含む IC を購入することもでき、詳細を気にする必要はなく、多くの場合改良されています。 ただし、これらの IC は高価になる傾向があり、個別のコンポーネントベースのソリューションよりもチップ不足になりやすいです。 さらに、問題が発生した場合、内部の仕組みを理解することが非常に役立ちます。 したがって、基本をわかりやすく理解することが重要です。また、次回自分のデバイスをポータブルにしたいときに、パワーバンク ボードを再利用する必要があると感じないようにすることが重要です。

他の掲示板が何をしているかに注目してください。 多くの場合、特に ESP32 のようなチップを搭載した安価なボードの場合、上記の充電器 + レギュレータ + パワーパス回路が見られます。 また、パワーバンク チップや PMIC など、より複雑な電源管理ソリューションが登場することもあります。 単純な回路よりもはるかにうまく機能する場合もあれば、その逆の場合もあります。 たとえば、一部の TTGO バッテリー駆動ボードはパワーバンク チップを使用しており、回路が複雑になりすぎて、奇妙な動作や誤動作が発生します。 一方、別の TTGO ボードは、そのようなボードにより適した PMIC を使用しており、その結果、ユーザーは完璧な動作とさらにきめ細かい電源管理制御を実現できます。

これで、LiIon バッテリ入力コネクタをプロジェクトに追加するために何が必要か、またすでにコネクタが付属しているボードの背後にある秘密がわかりました。 マイクロコントローラー プロジェクトを持ち歩き、自分のコンセプトをテストするのは、他では味わえない感覚です。 少しでも体験に近づけていただければ幸いです。

次回は、複数のセルが直列に接続されたバッテリー、つまり BMS、さまざまなソースからの LiIon パックのバランスと充電についてお話したいと思います。 ただし、最初にいくつかの関連プロジェクトを完了させたいので、準備にはかなりの時間がかかります。それについて知りたい場合は、この記事をチェックすることをお勧めします。 それまでの間、バッテリー駆動のプロジェクトの構築が成功することを祈っています。