Erfahren Sie mehr über USB

Als Stromquelle für elektronische Produkte mit geringem Stromverbrauch (hauptsächlich batteriebetriebene Produkte) bietet USB immer mehr Anwendungsmöglichkeiten, und der allgegenwärtige USB bietet auch mehr Möglichkeiten und größere Herausforderungen für das Ladegerätdesign. In diesem Artikel wird die einfache Verbindung zwischen einem Batterieladegerät und einem USB-Netzteil vorgestellt, die Eigenschaften des USB-Strombusses und die damit verbundenen Technologien, Lademethoden und Abschlusslademethoden von NiMH- und Li+-Batterien erläutert und ein vollständiges Beispiel dafür bereitgestellt Intelligentes Laden des NiMH-Akkus über einen USB-Anschluss.

Ein USB-Anschluss (Universal Serial Bus) ist ein bidirektionaler Datenanschluss mit Strom und Masse. Über USB können alle Arten von Peripheriegeräten angeschlossen werden, darunter externe Laufwerke, Speichergeräte, Tastaturen, Mäuse, drahtlose Schnittstellen, Kameras und Kameras, MP3-Player und unzählige elektronische Geräte. Viele dieser Geräte werden mit Batterien betrieben, einige davon verfügen über eingebaute Batterien. Für das Batterieladedesign bringt der weit verbreitete USB sowohl Chancen als auch Herausforderungen mit sich. In diesem Artikel wird erläutert, wie Sie ein einfaches Batterieladegerät mit einem USB-Netzteil verbinden. Der Artikel behandelt die Eigenschaften des USB-Strombusses, einschließlich Spannung, Strombegrenzung, Stoßstrom, Anschlüsse und Kabelverbindungsprobleme. Außerdem werden Nickel-Wasserstoff-Batterie- (NiMH) und Lithium-Batterietechnologie, Lademethoden und Ladeabschlusstechnologie vorgestellt. Es wird eine vollständige Beispielschaltung bereitgestellt, um das intelligente Laden von NiMH-Akkus über USB-Anschlüsse zu erreichen, und es werden Ladedaten bereitgestellt.

USB-Funktionen

Der USB-Bus kann elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch mit Strom versorgen. Die Busstromversorgung ist vom Stromnetz isoliert und weist eine gute Stabilität auf. Allerdings ist der verfügbare Strom begrenzt und es bestehen potenzielle Interoperabilitätsprobleme zwischen der Last und dem Host oder der Stromversorgung.

Anforderungen an das Laden der Batterie

1、Einzellige Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien

Wenn Lithiumbatterien heutzutage auf ihre maximale Nennkapazität geladen werden, liegt ihre Spannung normalerweise zwischen 4,1 V und 4,2 V. Der Spannungsbereich neuerer Batterien mit größerer Kapazität, die derzeit auf dem Markt sind, liegt zwischen 4,3 V und 4,4 V. Typische prismatische Lithium-Ionen- (Li+) und Lithium-Polymer-Batterien (Li Poly) haben Kapazitäten von 600 mAh bis 1400 mAh.

Für Li+- und Li-Poly-Batterien besteht die bevorzugte Ladekurve darin, mit dem Laden mit konstantem Strom zu beginnen und fortzufahren, bis die Batteriespannung die Nennspannung erreicht. Anschließend passt das Ladegerät die Spannung an beiden Enden der Batterie an. Diese beiden Anpassungsmethoden bilden die Lademethode mit konstantem Strom (CC) und konstanter Spannung (CV). Daher wird dieser Ladegerättyp allgemein als CCCV-Ladegerät bezeichnet. Nachdem das CCCV-Ladegerät in den CV-Modus wechselt, beginnt der Ladestrom der Batterie zu sinken. Wenn zum Laden eine typische Laderate von 0,5 °C bis 1,5 °C verwendet wird, wechselt das Ladegerät vom CC-Modus in den CV-Modus, wenn der Akku 80 % bis 90 % seiner vollen Kapazität erreicht. Sobald das Ladegerät in den CV-Lademodus wechselt, überwacht es den Batteriestrom; Wenn der Strom den Mindestschwellenwert (einige Milliampere oder mehrere zehn Milliampere) erreicht, beendet das Ladegerät den Ladevorgang. Die typische Ladekurve von Lithiumbatterien ist in der Abbildung dargestellt.

Aus der USB-Spannungsabfallanzeige ist ersichtlich, dass die Downstream-Low-Power-Portspannung des Port-Power-Hubs nicht über ausreichend Spielraum verfügt, was es schwierig macht, den Akku auf 4,2 V aufzuladen. Ein kleiner zusätzlicher Widerstand auf dem Ladepfad kann den normalen Ladevorgang behindern. Li+- und Li-Poly-Akkus sollten bei geeigneten Temperaturen geladen werden.

Die vom Hersteller empfohlene maximale Ladetemperatur liegt normalerweise zwischen+45 ° C und+55 ° C, und die maximal zulässige Entladungstemperatur kann um etwa 10 ° C erhöht werden. Die in diesen Batterien verwendeten Materialien haben sehr aktive chemische Eigenschaften, und wenn die Batterietemperatur+70 ° C überschreitet, tritt eine Verbrennung auf. Die Ladegeräte von Lithiumbatterien sollten eine thermische Abschaltschaltung haben, die die Batteriestemperatur überwacht. Wenn die Batterietemperatur die empfohlene maximale Ladetemperatur des Herstellers überschreitet, wird das Ladevorgang gekündigt.

2、Nickel-Wasserstoff-Batterien (NiMH)

NiMH-Akkus sind schwerer als Lithium-Akkus und haben eine geringere Energiedichte. NiMH-Akkus waren schon immer günstiger als Lithium-Akkus, doch in letzter Zeit hat sich der Preisunterschied zwischen beiden verringert. NiMH-Akkus haben Standardabmessungen und können in den meisten Anwendungen direkt Alkalibatterien ersetzen. Die Nennspannung jedes Akkus beträgt 1,2 V und erreicht bei voller Ladung 1,5 V.

Eine konstante Stromquelle wird normalerweise verwendet, um NIMH -Batterien zu laden. Wenn es einen voll geladenen Zustand erreicht, tritt eine exotherme chemische Reaktion auf, was zu einer Erhöhung der Batterietemperatur und einer Abnahme der Batterieklemmenspannung führt. Es kann die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs oder die negative Spannungsänderung der Batterie erfassen und zur Beendigung des Ladens verwendet werden. Diese Ladeverschlüsse werden DT/DT und - bezeichnet Δ V. Wenn die Laderate sehr niedrig ist, dt/dt und - Δ V ist nicht sehr offensichtlich und schwer genau nachzuweisen. Wenn die Batterie in einen Überladungszustand eingeht, dt/dt und - Δ Die V -Antwort zeigt sich. Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt weiterhin aufgeladen werden, wird der Akku beschädigt.

Die Beendigungserkennung ist viel einfacher, wenn die Laderate größer als C/3 ist als wenn die Ladequote niedriger ist. Die Temperaturanstiegsrate beträgt ungefähr 1 ° C/Minute - Δ Die V -Antwort ist auch ausgeprägter als bei niedrigen Laderaten. Nach Abschluss des schnellen Ladens wird empfohlen, die Batterie für einen Zeitraum von einem niedrigeren Strom zu laden, um den Akku vollständig zu laden (um das Laden auszugleichen). Nach Abschluss der ergänzenden Ladestufe wird ein Rinnsal -Ladestrom von C/20 oder C/30 verwendet, um den Selbstentladungseffekt auszugleichen und die Batterie in einem voll aufgeladenen Zustand aufrechtzuerhalten. Abbildung 3 zeigt die Batteriespannungskurve einer NIMH -Batterie (teilweise im Voraus aufgeladen), die mit einem DS2712 NIMH -Ladegerät geladen wird. In dieser Abbildung werden die Daten der oberen Kurve erhalten, wenn der Ladestrom in die Batterie fließt, während die Daten der unteren Kurve gemessen werden, wenn der Strom abgeschnitten wird. In DS2712 wird dieser Spannungsunterschied verwendet, um zwischen NIMH -Batterien und alkalischen Batterien zu unterscheiden. Wenn eine alkalische Batterie festgestellt wird, wird DS2712 nicht aufgeladen.

Zusammenfassung

Für das Laden von Akkus kleinerer Geräte der Unterhaltungselektronik ist ein USB-Anschluss eine kostengünstige und praktische Stromquelle. Um die USB 2.0-Spezifikationen vollständig zu erfüllen, muss die am USB-Port angeschlossene Last in beide Richtungen mit dem Host kommunizieren können. Die Last muss außerdem den Anforderungen des Energiemanagements entsprechen, einschließlich eines Modus mit geringem Stromverbrauch und der Möglichkeit, dass der Host bestimmen kann, wann er große Ströme vom Port beziehen muss. Obwohl teilweise kompatible Systeme die meisten USB-Hosts unterstützen, kann es manchmal zu unerwarteten Ergebnissen kommen. Nur mit einem guten Verständnis der USB-Spezifikationsanforderungen und Lasterwartungen kann ein gutes Gleichgewicht zwischen Kompatibilität mit Spezifikationen und Lastkomplexität erreicht werden.