GSG-Elektronik - Lithium Lader

Der BQ24002 ist ein einfach zu beschaltender Lithium Ionen / Polymer Ladecontroller mit internem MOSFET. Er kann sowohl die älteren 4,1 V Zellen, als auch die neuen 4,2 V Zellen laden bei einem maximalen Strom von 1,2 A.

Mit zwei LEDs wird der aktuelle Zustand ausgegeben.

Zustand	Rote LED	Grüne LED
Lädt	leuchtet	aus
Akku geladen	aus	leuchtet
Fehler	blinkt	aus

Da dieses IC in einem TSSOP20 Gehäuse erhältlich ist, lässt es sich relativ problemlos löten. Trotzdem ist die Platine nur 20 * 25 mm² groß.

Mein Layout sieht einen NTC direkt auf der Platine vor, aber da ich keine Temperaturüberwachung wünsche, habe ich diesen weggelassen und den Spannungsteiler dazu entsprechend angepasst.

R2 und R4 bilden den für die Temperaturüberwachung benötigen Spannungsteiler.

Mit R1 wird der Ladestrom eingestellt. bei 100 mOhm beträgt der Ladestrom 1 A. Berechnet wird der Widerstand durch R = 0,1 / I.

An STAT1 ist eine Rote LED angeschlossen, an STAT2 eine grüne.

JP1 ist der Ausgang zum Akku

Mit VSEL wird die Ausgangsspannung zwischen 4,1 V (Vsel = GND) und 4,2 V (VSEL = Vcc) umgestellt.

Über TMR kann der interne Ladetimeout eingestellt werden. Dieser Pin ist ein Tristate Eingang: Floating = 3h, High = 4,5h, Low = 6h. Dieser Pin hat keinen Einfluss auf die Dauer des Precharge Modus.

Beträgt die Akkuspannung unter 2,9 V wird mit Konstantstrom auf bis 3,1 V geladen. Ist dieser Precharge Vorgang nicht in 22 Minuten angeschlossen geht das IC in den Fehlermodus und das Laden wird abgebrochen.

Auch hierzu sind Eagledateien inkl. Platinenlayout vorhanden.
Datenblatt BQ24002
BQ24002 bei Elektor

MAX1898

Beim MAX1898 handelt es sich um einen einfachen Lithiumlader der sowohl als 4,1 V als auch 4,2 V Variante erhältlich ist. Das IC benötigt einen externen MOSFET oder Transistor. Da das IC einen internen Shunt besitzt, kann man den Ladestrom einfach über externe Widerstände einstellen. Es darf aber der maximale Strom von 1,4 A nicht überschritten werden. Das IC verfügt über einen Statusausgang, an den eine LED angeschlossen werden kann, die anzeigt, ob der Akku geladen wird oder ein Fehler aufgetreten ist. Über einen Kondensator kann die maximale Ladezeit eingestellt werden. Wird die Ladeschlußspannung nicht innerhalb dieser Zeit erreicht, geht das IC in den Fehlerzustand und das Laden wird abgebrochen. Die LED am Statusausgang blinkt. Datenblatt MAX1898

BQ24103

Der BQ24103 ist der bisher komplexeste hier vorgestellte Lithium Lader. Er bietet dank Schaltwandlertechnik einen großen Ladestrom und das auf einer kleinen Fläche. Außerdem kann er sowohl ein Zellen Akkus als auch zwei Zellen Akkus laden. Da er nur im QFN20 Gehäuse erhältlich ist, ist er etwas schwierig zu löten.

Der BQ24103 arbeitet mit 1,1 MHz, dadurch ist nur eine kleine Spule von 4,7 µH (bei ca. 2 A) nötig. Es lassen sich insgesamt 3 Ströme einstellen: der Precharge Strom (während der Konstantstromphase), der Ladestrom (während der Konstantspannungsphase), und der Charge Termination Strom (zum erkennen des Ende des Ladevorgangs).

Die Widerstände R1, R2 und R5 legen die Ladeströme fest. Der Shuntwiderstand R5 wird berechnet aus dem gewünschten Ladestrom und V_Ireg:

R5 = V_Ireg / I_chg

V(Ireg) hängt von R1 ab und sollte zwischen 100 mV und 200 mV liegen:

V_Ireg = 1000 / R1

Sollte man keinen passenden Standardwert für den Shunt finden, so kann man den nächst größeren wählen und R1 anpassen:

R1 = 1000 / (R5 * I_chg)

Der Precharge und Charge Termination Strom wird mit R2 festgelegt:

I_pre = 100 / (R2 * R5)
I_term = 100 / (R2 * R5)

Somit sind der Precharge und der Termination Strom immer gleich.

Berechnungsbeispiel:
R1 = 10 kOhm
R2 = 10 kOhm
R5 = 0,15 Ohm

V_Ireg = 1000 / R1 = 100 mV
I_chg = 0,1 / 0,15 = 667mA
I_pre = I_term = 100 / (10000 * 0,15) = 67 mA

Außer den Widerstandswerten ist natürlich auch die Induktivität und die Ausgangskapazität wichtig:

L = (V_bat * (V_in - V_bat)) / (V_in * f * I_chg * 0,3)
L = (4,2 * 7,8) / (12 * 1,1 * 10^6 * 0,667 * 0,3) = ~12 µH
L = (8,4 * 3,6) / (12 * 1,1 * 10^6 * 0,667 * 0,3) = ~12 µH

C = 1 / (4 * pi^2 * f_0^2 * L)
C = 1 / (4 * pi^2 * (16 * 10^3)^2 * 12 * 10^-6) = ~8 µF

Da sieht man, dass meine ausgesuchten Bauteilwerte nicht ganz optimal sind. Jetzt ist nur noch die Timeoutzeit einzustellen über C2:

C = t / 2,6
t = 100 * 2,6 = 260 min

Nach 4,3 h muss der Akku also voll geladen sein, sonst wird der Ladevorgang abgebrochen.

Der BQ24103 besitzt zwei Statusausgänge, an die direkt LEDs angeschlossen werden können. LED1 leuchtet während dem Ladevorgang, ist das Laden abgeschlossen leuchtet LED2. Im Fehlerfall oder ohne angeschlossenen Akku leuchtet keine der beiden LEDs.

Auch hierzu sind Eagledateien inkl. Platinenlayout vorhanden.
Datenblatt BQ24103
Dieser Lader bei Elektor

LT3650

Der LT3650 von Linear ist ein besonders Leistungsstarker und doch einfacher Lithium Lader, welcher noch nicht lange erhältlich ist. Mit einem maximalen Ladestrom von 2 A ist er auch für leistungsstarke Akkus interessant. Dieses IC gibt es nur mit voreingestellter Ladespannung mit den Werten: 4,1 V, 4,2 V, 8,2 V und 8,4 V. Aus diesem Grund ist das IC für universelle Ladeschaltungen eher ungeeignet. Allerdings bietet es eine Stromüberwachung, so dass weitere System und der Lader über eine Stromquelle betrieben werden können ohne, dass die Stromquelle überlastet wird. In diesem Fall wird der Ladestrom automatisch gedrosselt.

Der LT3650 arbeitet als Schaltwandler mit einer festen Frequenz von 1 MHz. Ein interner MOSFET ermöglicht ein einfaches Design, dabei wird allerdings ein externer Kondensator benötigt für die Ladungspumpe des Gate Treibers.

Der Ladestrom wird nur über einen Shunt eingestellt. Zwei LEDs geben Auskunft über den Zustand in dem sich der Lader befindet.

Der Schaltplan zeigt einen einfachen Lithium Lader mit dem LT3650, die Stromüberwachung für zusätzliche Systeme wurde hier nicht verwendet.

Eagledateien inkl. Platinenlayout sind vorhanden.
Datenblatt LT3650

BQ24202

Dieser Lithium Lader ist für nur eine Zelle geeignet und hat einen fest eingestellten Ladestrom von 500 mA. Durch seine geringe Außenbeschaltung und kleine Bauform lässt sich eine Platine fertigen, die so breit wie ein Akku dick ist. Somit kann man die Ladeelektronik platzsparend in einen Akkupack einbauen.

Weitere Ausführungen folgen...

Eagledateien inkl. Platinenlayout sind vorhanden.
Datenblatt BQ24202

Ähnlicher Li Lader im Shop

BQ24023

Der BQ24023 bietet zwei Eingänge, für die man getrennte Ladeströme einstellen kann. Spezielle für Geräte, die über den USB Port geladen werden sollen ist dies interessant.

Weitere Ausführungen folgen...

Eagledateien inkl. Platinenlayout sind vorhanden.
Datenblatt BQ24023