Lithium

À ce jour, nous avons parcouru les bases et la mécanique de la manipulation de LiIon. Lorsqu'il s'agit de concevoir votre circuit autour d'une batterie LiIon, je pense que vous pourriez également bénéficier d'un livre de recettes avec des suggestions directes. Ici, j'aimerais vous donner une collection de recettes LiIon qui ont bien fonctionné pour moi au fil des ans.

Je parlerai des configurations de cellules à une seule série (1sXp), pour une raison simple - les configurations à plusieurs séries ne sont pas quelque chose avec laquelle je considère avoir beaucoup travaillé. Les configurations d'une seule série entraîneront à elles seules une rédaction assez complète, mais pour ceux qui s'y connaissent en manipulation de LiIon, je vous invite à partager vos trucs, astuces et observations dans la section des commentaires - la dernière fois, nous avons eu quelques points intéressants soulevés !

Il existe de nombreuses façons de charger les cellules que vous venez d'ajouter à votre appareil - une grande variété de circuits intégrés de chargeur et d'autres solutions sont à votre disposition. J'aimerais me concentrer sur un module spécifique sur lequel je pense qu'il est important que vous en sachiez plus.

Vous avez probablement déjà vu les cartes bleues TP4056 – elles sont bon marché et vous êtes à une commande Aliexpress d'en posséder un tas, avec une douzaine de cartes pour seulement quelques dollars. Le TP4056 est un chargeur LiIon IC capable de recharger vos cellules à un débit allant jusqu'à 1 A. De nombreuses cartes TP4056 ont un circuit de protection intégré, ce qui signifie qu'une telle carte peut également protéger votre cellule LiIon du monde extérieur. Cette carte elle-même peut être traitée comme un module ; depuis plus d'une demi-décennie maintenant, l'empreinte du circuit imprimé est restée la même, au point que vous pouvez ajouter une empreinte de carte TP4056 sur vos propres circuits imprimés si vous avez besoin d'une charge et d'une protection LiIon. Je le fais souvent - c'est beaucoup plus facile, et même moins cher, que de souder le TP4056 et tous ses composants de support. Voici une empreinte KiCad si vous souhaitez le faire aussi.

Il s'agit d'un circuit intégré de chargeur linéaire - si vous voulez 1 A en sortie, vous avez besoin de 1 A en entrée, et la différence de tension d'entrée-sortie multipliée par le courant est convertie en chaleur. Heureusement, les modules TP4056 sont conçus pour supporter raisonnablement bien les températures élevées, et vous pouvez ajouter un dissipateur thermique si vous le souhaitez. Le courant de charge maximal est défini par une résistance entre la masse et l'une des broches, la résistance par défaut étant de 1,2 kΩ, ce qui donne un courant de 1 A ; pour les cellules de faible capacité, vous pouvez la remplacer par une résistance de 10 kΩ pour fixer une limite de 130 mA, et vous pouvez trouver des tableaux en ligne pour les valeurs intermédiaires.

Il y a des choses intéressantes à propos du CI TP4056 que la plupart des gens ne savent pas s'ils utilisent les modules tels quels. La broche CE du CI est câblée à 5 V VIN, mais si vous soulevez cette broche, vous pouvez l'utiliser pour désactiver et activer la charge avec une entrée de niveau logique de votre MCU. Vous pouvez surveiller le courant de charge en connectant l'ADC de votre MCU à la broche PROG - la même broche utilisée pour la résistance de réglage du courant. Il existe également une broche de thermistance, généralement câblée à la terre, mais adaptable à une large gamme de thermistances à l'aide d'un diviseur de résistance, qu'il s'agisse de la thermistance attachée à votre cellule de poche ou de celle que vous avez ajoutée à l'extérieur de votre support 18650.

Il y a aussi des problèmes avec le TP4056 - c'est un circuit intégré assez simple. L'efficacité n'est pas un impératif lorsque l'alimentation murale est disponible, mais le TP4056 gaspille un peu d'énergie sous forme de chaleur. Un module basé sur un chargeur à découpage évite cela et vous permet souvent de charger à des courants plus élevés si nécessaire. Connecter une cellule à l'envers tue la puce, et le circuit de protection aussi - cette erreur est facile à faire, j'en ai fait beaucoup, et c'est pourquoi vous avez besoin de pièces de rechange. Si vous inversez les contacts des cellules, jetez la carte - ne chargez pas vos cellules avec un circuit intégré défectueux.

De plus, étant donné la popularité du TP4056, des copies de ce circuit intégré sont fabriquées par plusieurs fournisseurs de puces différents en Chine, et j'ai observé que certains de ces circuits intégrés de copie se cassent plus facilement que d'autres, par exemple, ne chargeant plus vos cellules - encore une fois, gardez pièces de rechange. Le TP4056 ne fournit pas non plus de minuteries de charge comme le font d'autres circuits intégrés plus modernes - un sujet que nous avons abordé dans la section des commentaires du premier article.

Dans l'ensemble, ces modules sont puissants et assez universels. Il est même sûr de les utiliser pour charger des cellules de 4,3 V, car en raison du fonctionnement CC/CV, la cellule ne se charge tout simplement pas à sa pleine capacité, ce qui prolonge la durée de vie de votre cellule comme effet secondaire. Lorsque vous avez besoin d'aller au-delà de ces modules, il existe une myriade de circuits intégrés que vous pouvez utiliser - des chargeurs linéaires plus petits, des chargeurs de commutation, des chargeurs avec des fonctions de circuit d'alimentation et/ou de régulateur DC-DC intégrées, et une multitude de circuits intégrés qui font LiIon la charge comme effet secondaire. Le monde des circuits intégrés de chargeur LiIon est immense et il y a bien plus que le TP4056, mais le TP4056 est un merveilleux point de départ.

Tout comme pour les circuits intégrés de charge, il existe de nombreuses conceptions, et il y en a une que vous devriez connaître - la combinaison DW01 et 8205A. Il est si omniprésent qu'au moins un de vos appareils achetés en magasin le contient probablement, et les modules TP4056 sont également livrés avec ce combo. Le DW01 est un circuit intégré qui surveille la tension de votre cellule et le courant qui y va et qui en sort, et le 8205A est constitué de deux N-FET dans un seul boîtier, ce qui aide à la partie "connecter-déconnecter la batterie". Il n'y a pas de résistance de détection de courant supplémentaire - à la place, le DW01 surveille la tension à travers la jonction 8205A. En d'autres termes, les mêmes FET utilisés pour couper la cellule du monde extérieur en cas de panne sont utilisés comme résistances de détection de courant. Cette conception est bon marché, répandue et fait des merveilles.

Le DW01 protège contre les surintensités, les décharges excessives et les surcharges - les deux premiers se produisent relativement souvent dans les projets de loisirs, et ce dernier est pratique si votre chargeur devient un voyou. Si quelque chose ne va pas, il interrompt la connexion entre la borne négative de la cellule et GND de votre circuit, en d'autres termes, il effectue une commutation côté bas - pour une raison simple, les FET qui interrompent GND sont moins chers et ont une résistance plus faible. Nous avons également vu des hacks effectués avec cette puce - par exemple, nous avons couvert les recherches d'un pirate informatique qui a découvert que le DW01 peut être utilisé comme interrupteur d'alimentation logiciel pour votre circuit - d'une manière qui ne compromet pas sur sécurité. Il vous suffit de connecter une broche GPIO de votre MCU au DW01, de préférence via une diode - ce commentaire décrit une approche qui me semble assez résistante aux pannes.

Lorsque vous connectez pour la première fois une cellule LiIon à la combinaison DW01 + 8205A, parfois elle activera sa sortie, mais parfois non. Par exemple, si vous avez un support pour 18650 et qu'un circuit de protection y est connecté, il y a 50/50 de chances que votre circuit s'allume une fois que vous avez inséré la batterie. La solution est simple - soit connecter un chargeur en externe, soit court-circuiter les sorties OUT- et B- avec quelque chose de métallique (j'ajoute souvent un bouton externe), mais c'est ennuyeux à gérer. Tout comme le TP4056, le combo DW01 + 8205A meurt si vous connectez la batterie à l'envers. De plus, le DW01 est câblé en interne pour une coupure de décharge excessive de 2,5 V, ce qui techniquement n'est pas modifiable. Si vous ne disposez pas d'une coupure contrôlée par logiciel séparée, le FS312 est un remplacement DW01 compatible avec les broches avec un point de décharge excessive de 3,0 V, vous aidant à prolonger la durée de vie de votre cellule.

Vous pouvez acheter un lot de modules de circuit de protection prêts à l'emploi, ou simplement utiliser le circuit de protection disposé sur le circuit imprimé du module TP4056. Vous pouvez également accumuler un stock décent de circuits de protection en les retirant des batteries unicellulaires chaque fois que la cellule gonfle ou meurt - veillez à ne pas perforer la cellule pendant que vous le faites, s'il vous plaît.

Pour une cellule LiIon de 4,2 V, la plage de tension utile est de 4,1 V à 3,0 V - une cellule à 4,2 V chute rapidement à 4,1 V lorsque vous en tirez de l'énergie, et à 3,0 V ou moins, la résistance interne de la cellule augmente généralement assez rapidement que vous n'obtiendrez plus beaucoup de courant utile de votre cellule. Si vous voulez atteindre 1,8 V ou 2,5 V, ce n'est pas un problème, et si vous voulez atteindre 5 V, vous utiliserez un régulateur de suralimentation quelconque. Cependant, la plupart de nos puces fonctionnent toujours à 3,3 V - voyons quelles sont nos options ici.

En ce qui concerne la plage LiIon à la régulation de 3,3 V, les régulateurs linéaires suivent de près les régulateurs à découpage en termes d'efficacité, ont souvent un courant de repos (sans charge) plus faible si vous recherchez un fonctionnement à faible puissance et un bruit plus faible si vous voulez faire des choses analogiques . Cela dit, votre 1117 habituel ne fera pas l'affaire - c'est une conception ancienne et inefficace, et le 1117-33 commence à broyer ses engrenages à environ 4,1 V. À la place, utilisez des remplacements de tension à faible chute compatibles avec les broches comme AP2111, AP2114 et BL9110, ou AP2112, MIC5219, MCP1700 et ME6211 si vous êtes d'accord avec les trucs SOT23. Tous ces régulateurs linéaires fournissent confortablement 3,3 V avec une entrée jusqu'à 3,5 V et parfois même 3,4 V, si vous souhaitez alimenter quelque chose comme un ESP32. Il est difficile de nier la simplicité d'utilisation d'un régulateur linéaire - une puce et quelques bouchons suffisent.

Si vous voulez 500 mA à 1000 mA ou même plus de courant de façon continue, un régulateur à découpage sera votre meilleur ami. Mon préféré est PAM2306 - ce régulateur est utilisé sur le Raspberry Pi Zero, il est très bon marché et accessible, et possède même deux rails de sortie séparés. Compte tenu de sa capacité à effectuer un cycle de fonctionnement à 100 %, il peut extraire beaucoup de jus de vos cellules, ce qui est souvent souhaitable pour les projets à plus haute puissance où le temps d'exécution est important. Et bon, si vous avez Pi Zero avec un processeur mort, vous ne vous tromperez pas en coupant une partie du PCB et en y soudant des fils. Lors de la conception de votre propre carte, utilisez les recommandations de la fiche technique pour les paramètres d'inductance si l'ensemble de l'activité "choisir la bonne inductance" vous rend confus.

Donc, le PAM2306 est le régulateur du Pi Zero, et il est également compatible LiIon ? Oui, vous pouvez alimenter un Pi Zero directement à partir d'une batterie LiIon, car tous les circuits embarqués fonctionnent jusqu'à 3,3 V sur les broches "5 V". Je l'ai largement testé sur mes propres appareils, et il fonctionne même avec le Pi Zero 2 W. Combiné avec ce powerpath et un chargeur, vous disposez d'un package "Linux alimenté par batterie" complet, avec tout le punch d'un Raspberry Pi fournit - au prix d'une poignée de composants seulement. Un problème à surveiller est que le port MicroUSB VBUS aura une tension de batterie - en d'autres termes, vous feriez mieux de remplir les ports MicroUSB avec de la colle chaude juste au cas où quelqu'un y brancherait un bloc d'alimentation MicroUSB, et en appuyant sur les points de test de données USB pour USB connectivité.

Maintenant, vous avez la charge et vous avez votre 3,3 V. Il y a un problème que je dois vous rappeler - pendant que vous chargez la batterie, vous ne pouvez pas en tirer de courant, car le chargeur s'appuie sur des mesures de courant contrôler la charge ; si vous confondez le chargeur avec une charge supplémentaire, vous risquez de surcharger la batterie. Heureusement, puisque vous avez un chargeur branché, vous devez avoir du 5 V accessible. Ce serait cool si vous pouviez alimenter vos appareils à partir de cette source 5 V lorsqu'elle est présente et utiliser la batterie lorsqu'elle ne l'est pas ! Nous utilisons généralement des diodes pour de telles décisions de puissance, mais cela entraînerait une chute de tension supplémentaire et des pertes de puissance lors du fonctionnement à partir de la batterie. Heureusement, il existe un simple circuit à trois composants qui fonctionne bien mieux.

Dans ce circuit de chemin d'alimentation, un P-FET joue le rôle de l'une des diodes, avec une résistance ouvrant le FET lorsque le chargeur n'est pas présent. Le P-FET n'a pas de chute de tension, mais a plutôt une résistance en fractions d'ohm, ce qui vous évite les pertes lorsque le chargeur n'est pas branché. Une fois le chargeur connecté, le FET se ferme et le chargeur alimente votre circuit à travers la diode à la place. Vous avez besoin d'un P-FET de niveau logique - IRLML6401, CJ2305, DMG2301LK ou HX2301A conviendraient, et il y en a des milliers d'autres qui fonctionneront. Comme pour une diode, un Schottky par défaut comme 1N5819 (SS14 pour SMD) fera l'affaire. C'est un circuit omniprésent et mérite sa place dans les boîtes à outils de circuit.

Vous pouvez acheter des boucliers et des modules qui contiennent toutes ces pièces et parfois plus, sur une seule carte. Vous pouvez également acheter des circuits intégrés qui contiennent tout ou partie des parties de ce circuit, souvent améliorées, et ne vous souciez pas des spécificités. Cependant, ces circuits intégrés ont tendance à être plus chers et beaucoup plus sujets aux pénuries de puces que la solution basée sur des composants individuels. De plus, lorsque des problèmes surviennent, la compréhension du fonctionnement interne aide beaucoup. Ainsi, il est important que les bases soient démystifiées pour vous et que vous ne vous sentiez pas obligé de réutiliser les cartes de powerbank la prochaine fois que vous souhaitez rendre votre appareil portable.

Soyez à l'affût de ce que font les autres conseils. Souvent, vous verrez le circuit chargeur + régulateur + powerpath décrit ci-dessus, en particulier lorsqu'il s'agit de cartes moins chères avec des puces comme l'ESP32. D'autres fois, vous verrez des solutions de gestion de l'alimentation plus impliquées, comme des puces de banque d'alimentation ou des PMIC. Parfois, ils fonctionneront bien mieux que le simple circuit, parfois c'est le contraire. Par exemple, certaines cartes alimentées par batterie TTGO utilisent des puces de banque d'alimentation et compliquent excessivement le circuit, ce qui entraîne des comportements et des dysfonctionnements étranges. Une carte TTGO différente, en revanche, utilise un PMIC bien plus adapté à ces cartes, ce qui se traduit par un fonctionnement sans faille et même un contrôle granulaire de la gestion de l'alimentation pour l'utilisateur.

Vous savez maintenant ce qu'il faut pour ajouter un connecteur d'entrée de batterie LiIon à votre projet, et les secrets des cartes qui en sont déjà livrées. C'est une sensation unique d'emporter un projet de microcontrôleur avec vous tout en testant un de vos concepts. J'espère que je vous ai rapproché un peu plus de cette expérience.

La prochaine fois, j'aimerais parler des batteries avec plusieurs cellules en série - BMS, équilibrage et charge des packs LiIon à partir de différentes sources. Cependant, cela me prendra beaucoup de temps à préparer, car j'aimerais d'abord terminer quelques projets connexes, et je vous recommande de consulter notre couverture si vous souhaitez en savoir plus. En attendant, je vous souhaite bonne chance dans la construction de vos projets alimentés par batterie !