OpenSource проект. Разработано в EasyEDA
Посмотреть проект на OSHW LAB

Здесь описан принцип работы основных компонентов модуля. Если Вам не знаком этот модуль и больше интересует как пользоваться платой для зарядки LX-LCBST, то лучше сначала ознакомиться с ЧАСТЬЮ 1, в которой более подробно описана схема подключения модуля LX-LCBST и представлены основные технические характеристики модуля.

Что внутри модуля LX-LCBST?

Известно, что данный модуль сочетает в себе контроллер заряда, устройство защиты и регулируемый повышающий преобразователь. Так, модуль оснащен микросхемой TP4056 (или ее аналогом – SL4056, PT4056, GX4056 и др.) для зарядки одноячеечных литий-ионных аккумуляторов Li-Ion с номинальным напряжением 3,7В, микросхемой защиты аккумулятора типа DW03 (ближайший аналог – HM5434) и микросхемой контроллера повышающего преобразователя типа MT3608 с регулируемым выходным напряжением посредством подстроечного резистора. На входе модуля имеется разъем типа USB-type-C. В качестве альтернативы для подачи питания можно использовать площадки на обратной стороне модуля. Рекомендуемое напряжение питания модуля составляет примерно 5В, на деле оно ограничено значением питания микросхемы заряда TP4056, согласно технической документации, на уровнях от 4,2В до 6,5В.

Для формирования схемы электрической принципиальной рассмотрим печатную плату модуля

Справа налево на ней расположены контроллер заряда, устройство защиты и повышающий (STEP-UP) преобразователь.

Контроллер заряда аккумулятора — микросхема TP4056

TP4056 – это недорогая микросхема контроллера зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов. Данный контроллер поддерживает механизм заряда постоянного тока и постоянного напряжения (CC/CV) для одноэлементной литиевой батареи. Представлена микросхема в 8-контактном корпусе SOP-8 (ESOP-8) и требует минимального количества внешних компонентов для построения схемы зарядного устройства.

Скачать datasheet TP4056 (NanJing)  TP4056 (UTD-Semi)

Функциональное назначение выводов микросхемы:

• Контакт 1 – TEMP : входной контакт для измерения температуры. По напряжению на этом выводе можно определить температуру аккумулятора. Он может быть подключаться к выходу термистора NTC в аккумуляторном блоке. Однако, в модуле LX-LCBST не используется.
• Контакт 2 – PROG: Ток заряда аккумулятора устанавливается путем подключения резистора Rprog между этим контактом и GND. В зависимости от номинала резистора зарядный ток может составлять от 130мА до 1А.
• Контакт 3 – GND: контакт заземления.
• Контакт 4 — VCC: контакт питания. TP4056 поддерживает до 6.5В, но обычно используется 5В.
• Контакт 5 – BAT: контакт подключения аккумулятора.
• Контакт 6 – STDBY: когда аккумулятор полностью заряжен, этот контакт подтягивается к земле. К этому выводу подключен светодиод, обозначающий режим ожидания.
• Контакт 7 – CHRG: когда аккумулятор заряжается, этот контакт подтянут к земле. К этому контакту подключен светодиод, указывающий на процесс заряда батареи.
• Контакт 8 – CE : это входной контакт для включения или отключения чипа. При подключении к VCC TP4056 находится в обычном режиме, т.е. контроллер заряда включен.

Расчет зарядного тока описан в ЧАСТИ 1 и сводится к выбору сопротивления резистора Rprog. Его значение рассчитывается по формуле: I_BAT = (V_PROG/R_PROG  )*K, где V_PROG = 1В, К = 1200.

Относительно коэффициента К. Было замечено, что ток заряда разных партий модулей и разных продавцов известной китайской площадки несколько отличается от расчетного и обнаружено, что “аналоги” микросхем не совсем аналоги и все таки имеют различия в пределах напряжений питания и тока заряда. В связи с этим различные производители приводят различные формулы расчета тока заряда, в которой коэффициент К варьируется от 1000 до 1200. Это следует учитывать при расчете отдельно взятого модуля.

На модуле имеется два светодиода для контроля состояния процесса заряда. Светодиод CHRG красного цвета и светодиод STDBY синего цвета.

Когда аккумулятор заряжается, красный светодиод горит, а синий светодиод не горит. Синий светодиод загорается, когда аккумулятор полностью заряжен. Если на выходе повышающего преобразователя есть нагрузка, светодиоды могут загореться одновременно, это будет зависеть от выходной мощности. Красный свет всегда будет гореть во время зарядки. Когда нагрузка не подключена, синий светодиод будет гореть, а красный светодиод может слегка подсвечиваться.

Защита аккумулятора — микросхема DW03

Данный модуль имеет микросхему защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, со встроенным МОП-транзистором, схемой определения напряжения и тока, включает в себя все функции защиты, необходимые при использовании аккумуляторов данных типов, включая защиту от перезаряда, перегрузки по току, короткого замыкания нагрузки и т. д.

Потребление в режиме ожидания микросхемы крайне низкое, около 50мкА. Микросхема требует минимального количества компонентов обвязки, выполнена в компактном корпусе SOT23-5 и занимает очень мало места на плате. Микросхема защиты аккумулятора отключит нагрузку, когда напряжение аккумулятора упадет ниже 2,5 В.

Скачать datasheet DW03 (PJ)  HM5434 (H&M Semi)

Функциональное назначение выводов микросхемы:

• Контакт 1 – NC : Не используется.
• Контакт 2 – GND: контакт заземления.
• Контакт 3 — VDD: контакт питания.
• Контакты 4,5 – VM: контакты подключения отрицательной клеммы аккумулятора. Внутренний ключ подключает эту клемму к GND.

Для тех аккумуляторов, на которых уже установлен блок защиты на модуле LX-LCBST предусмотрена возможность отключения микросхемы защиты для передачи этой функции блоку установленному на аккумуляторе. На модуле имеются две площадки с маркировкой «Т», которые как раз и необходимы, если вы используете батарею с собственной схемой защиты.

В этом случае необходимо спаять эти контакты между собой.

Повышающий преобразователь – микросхема STEP-UP преобразователя MT3608

Как и в случае с контроллером заряда данная микросхема имеет ряд аналогов. Микросхема представлена в корпусе SOT23-6, предназначена для приложений с низким энергопотреблением. Высокая частота переключения позволяет использовать миниатюрные конденсаторы и катушки индуктивности. Микросхема MT3608 оснащена функцией автоматического переключения в режим частотно-импульсной модуляции при небольших нагрузках, оснащена функцией блокировки от пониженного напряжения, превышения тока и защиты от тепловых перегрузок для предотвращения повреждения в случае перегрузки на выходе.

Скачать datasheet MT3608 (AeroSemi)  SDB628 (Shouding)

Функциональное назначение выводов микросхемы:

• Контакт 1 – SW : выход внутреннего силового MOSFET-переключателя.
• Контакт 2 – GND: контакт заземления.
• Контакт 3 — FB: вход обратной связи.
• Контакт 4 – EN: Вход управления включением/выключением регулятора. В модуле LX-LCBST подключён так, что преобразователь всегда включен.
• Контакт 5 – IN: Вход питания.
• Контакт 6 – NC: не используется.

Для регулирования выходного напряжения на схеме предусмотрен подстроечный резистор.

Выходное напряжение модуля может быть изменено в диапазоне от 4,2 до 28 В посредством изменения сопротивления данного резистора.

Принципиальная схема модуля LX-LCBST

Принципиальная схема выполнена по печатной плате готового модуля. Проводники печатной платы:

Печатная плата модуля LX-LCBST

Печатная плата выполнена размер-в-размер, с сохранением всех печатных элементов исходной китайской платы за исключением шелкографии на китайском языке – все обозначения переведены на английский язык.

Печатная плата выполнена в приложении EasyEDA.

Список элементов модуля LX-LCBST

Проект доступен на OSHWLAB. Также, там доступно обсуждение проекта, замечания и ответы на вопросы.

OpenSource проект. Разработано в EasyEDA.
Посмотреть проект на OSHW LAB

OpenSource проект. Разработано в EasyEDA
Посмотреть проект на OSHW LAB

Если Вы уже знакомы с принципом работы данного модуля, то можно сразу перейти к ЧАСТИ 2, в которой более подробно описана схемотехника модуля, выполнен реверс-инжениринг и по его результатам составлена схема и печатная плата модуля. Там же рабочие файлы для среды EASYEDA (принципиальная схема модуля LX-LCBST и печатная плата)

Обзор модуля и принцип работы

Модуль LX-LCBST совмещает в себе небольшое зарядное устройство для литий-ионного аккумулятора с номинальным напряжением 3,7В, схему защиты для него и повышающий преобразователь с регулируемым выходным напряжением.

Модуль LX-LCBST может быть применен для переоборудования питания различных электронных измерительных приборов, мультиметров, тестеров с батареями типа “Крона”, часов, металлоискателей, радиоприемников, игрушек и других электронных устройств с батарейным питанием.

Важно заметить, что плата поддерживает один аккумулятор и к ней нельзя подключать батарею из литиевых аккумуляторов.

Технические параметры модуля LX-LCBST

• Диапазон выходного регулируемого постоянного напряжения: 4,2-28 В
• Входное постоянное напряжение (от зарядного устройства или блока питания): 4,2-6,5 В
• Максимальная выходная мощность: 5 Вт
• Потребляемый ток без нагрузки: до 0,2 мА
• Максимальный ток заряда АКБ: 1 А
• Защита от перезаряда: до 4,2 В
• Защита от глубокого разряда: до 2,5 В
• Разъём зарядки: USB Type-C
• Светодиодные индикаторы: красный — зарядка, синий (в некоторых версиях зеленый) — зарядка окончена
• Габариты платы: 23.5x19x4,3 мм

Подключение модуля LX-LCBST

Подключение внешнего питания для заряда аккумулятора происходит через порт USB-type-C, подключение аккумулятора и нагрузки через выводы в отверстия на печатной плате.

Аналогично, питание для заряда аккумулятора может быть подано по двум проводам к площадкам с обратной стороны под USB-разъемом. Напряжение питание также должно быть в диапазоне от 4,5 до 5,5В. Припаять провода нагрузки можно как в отверстия, так и к площадкам с обратной стороны модуля. Это одни и те же выходные цепи на печатной плате разнесенные в разные стороны модуля.

У модуля есть встроенная защита от перезаряда и глубокого разряда батареи. Если в подключаемом аккумуляторе есть схема защиты, то в модуле её следует отключить. Для этого на обратной стороне платы нужно замкнуть (соединить) два контакта отмеченных буквой “T”.

Выбор зарядного тока

Как правило, производителем аккумуляторной батареи регламентируется диапазон допустимого тока заряда, однако, если говорить про неизвестный китайский аккумулятор, то можно дать только общую рекомендацию – ограничивать ток заряда величиной равной 0,2 – 1С, другими словами ток заряда не должен превышать одной емкости аккумулятора. Также, следует помнить, что чем выше ток заряда, тем меньше срок жизни аккумулятора, но в то же время, значительное его снижение не ведет к столь же значительному увеличению срока жизни аккумулятора, т.к. зависимость эта нелинейная. Чаще всего на практике используется значение 0,5С, т.е. аккумулятор емкостью 1000мАч следует заряжать током 500мА.

Регулировка зарядного тока

Ток заряда аккумулятора определяется установленным резистором и на данном модуле равен 1А. Это максимальный ток заряда который способен обеспечить контроллер заряда модуля. И, как указывает техническая документация на контроллер заряда, это обеспечивается при надежном его охлаждении. Для снижения тока, нужно заменить резистор (Rprog), сопротивление которого вычисляется по формуле R=1200/I, где R – искомое сопротивление в Омах, I – ток заряда в Амперах.

В технической документации на контроллер заряда есть таблица расчетных значений сопротивления резистора для некоторых величин тока заряда. Значения в ней усреднены и ток заряда несколько занижен:

Rprog (k)	Ibat(mA)
10	130
5	250
4	300
3	400
2	580
1.66	690
1.5	780
1.33	900
1.2	1000

На практике удобнее использовать значения наиболее распространенных резисторов из ряда Е24 с точностью 5%.

Rprog, кОм	Ibat, мА	Rprog, кОм	Ibat, мА
1,20	1000 ±50	3,90	308 ±15
1,30	923 ±46	4,30	279 ±14
1,50	800 ±40	4,70	255 ±13
1,60	750 ±38	5,10	235 ±12
1,80	667 ±33	5,60	214 ±11
2,00	600 ±30	6,20	194 ±10
2,20	545 ±27	6,80	176 ±9
2,40	500 ±25	7,50	160 ±8
2,70	444 ±22	8,20	146 ±7
3,00	400 ±20	9,10	132 ±7
3,30	364 ±18	10,00	120 ±6
3,60	333 ±17

Визуально можно отобразить как меняется максимальный ток заряда от номинала резистора Rprog на графике:

По мере заряда ток будет падать и заряд окончательно прекратится как только ток заряда снизится до 1/10 от заданного максимального значения. По окончании заряда контроллер продолжит отслеживать напряжение аккумулятора и запустит новый цикл заряда как только напряжение на аккумуляторе упадет ниже номинального на 120мВ.

Модуль имеет светодиодную индикацию: при заряде аккумулятора горит красный светодиод, по окончании заряда – синий. Напряжение на АКБ после полного заряда чуть меньше 4,2В.

Регулировка выходного напряжения модуля

Выходное напряжение модуля регулируется в диапазоне от 4,2 до 28 В. Изменение напряжения производится изменением сопротивления подстроечного резистора на плате.

При превышении мощности (более 5 Вт) может наблюдаться просадка выходного напряжения и значительный перегрев модуля.

“Обратная” разработка

Исследование работы модуля LX-LCBST по результатам реверс-инжиниринга подробно описано в ЧАСТИ 2. Там же приведена схема электрическая принципиальная и печатная плата модуля LX-LCBST созданные по этому модулю. Все файлы собраны в проект и доступны на площадке OWSHWLAB.

Продолжить чтение… ЧАСТЬ 2

OpenSource проект. Разработано в EasyEDA
Посмотреть проект на OSHW LAB

Демонстрационная линейка (она же шаблонная печатная плата, она же линейка радиолюбителя, н выполнена в форме прямоугольника с метрической шкалой на одной стороне и дюймовой на другой.

Здесь собраны различные двухконтактные стандартизированные компоненты типоразмера от 0201 до 2512 с подсказками в виде их метрических размеров и мощности распространенных серий резисторов. Помимо этого здесь имеются некоторые стандартизированные и проприетарные типоразмеры посадочных мест различных полупроводниковых элементов: SOD-523, SOD-323, SOD-123, DO-213 (Melf), DO-214 (SMA, SMB, SMC), наиболее распространенных типов танталовых SMD-конденсаторов типа A, B, C, D, разъема micro-USB и посадочные места под штыревые разъемы PLS с шагом 1,27мм и 2,54мм.

На обратной стороне собраны многоконтактные компоненты. Здесь расположены посадочные места SOT143, SOT23-6, SOT-523, SOT353, SOT363, SOT89-3, SOT23-3, SOT23-5, SOT23-8, SOT323, SOT343, SOT89-5, SOT223, QFN-32 (5x5mm) шаг=0.5mm, QFN-24 (3x3mm) шаг=0.4mm, QFN-20 (4x4mm) шаг=0.5mm, DFN-16 (3x5mm) шаг=0.5mm, LGA-12 (2x2mm) шаг=0.5mm, LQFN-12 (2x2mm) шаг=0.5mm, TSSOP-16 (4.4x5mm) шаг=0.65mm, MSOP-8 (3x6mm) шаг=0.65mm, QSOP-16 (5x4mm) шаг=0.635mm, POWERPAK SO-8, SMD-8B (9.6mm) шаг=2.54mm, SSOP-16 (5.3×6.2mm) шаг=0.65mm, DBS (8.4×6.4mm) шаг=5мм, BGA-64 (9x9mm) шаг=0.8mm, TQFP-32 (7x7mm) шаг=0.8mm

Помимо посадочных мест на плате расположены сквозные отверстия от 0,1 до 3,0мм с шагом 0,1мм, сквозные металлизированные отверстия от 0,1 до 2,0мм с юбкой 0,1мм и юбкой шириной в 2 диаметра отверстия, металлизированные слоты 1мм х 2,0…7,0мм и 2мм х 2,1…7,0мм, слот произвольной формы, отверстия под метрический крепеж М3…М6 диаметром по ГОСТ 11284-75 от 3,2мм до 6,3мм, контактные площадки шириной от 0,1 до 2мм, линии шелкографии от 0,1 до 2мм, справочные отверстия для визуальной оценки сечений проводов сечением от 6 до 26 мм2, слот произвольного размера и текстовые логотипы оформленные шелкографией и паяльной маской.

Печатная плата выполнена на текстолите FR-4 толщиной 1,6мм с маской зеленого цвета. Контур платы выполнен фрезеровкой с двумя прямыми углами и двумя скругленными с радиусом 5мм.

Проект линейки из печатной платы доступен на площадке OSHWLAB. Также, там доступно обсуждение проекта, замечания и ответы на вопросы.