Никогда не было и вот опять! MAX713 и NiMH!

Зарядник родной мой,

Линейный!

Сколько в тебе теплоты!

С трепетом благоговейным,

2Т, термопаста, винты!

С микросхемой MAX713 у меня долгая романтика отношений. Эта мучительная порочная связь не отпускала меня лет пять. В принципе, все с этим "Максом" просто, но это кажущаяся простота, то есть если если не копаться. Если покопаться и пройти весь путь разработчика, увидишь, что проектировщики кристалла оставили столько граблей, присыпав их листвой, что не наступить нереально. Я попробую составить краткий туториал и заострить внимание на главных подлянках. Несмотря на немалый риск разбить себе лоб об упомянутые грабли, возиться с MAX713 интересно. Даже с тем, что аккумуляторы NiCD и NiMH уже история. Построю-ка я зарядник на 2 банки с универсальным питанием!

Кто в курсе всех тонкостей схемотехники MAX713, могут сразу перейти к практике, то бишь к главе №5 а я пока пройдусь по основам.

Глава первая. Subj.

Что это за микруха? Готовое специальное устройство для быстрого заряда аккумуляторов NiCD и NiMH, и только. Я неслучайно выделил слово "быстрого", ибо на малых токах заряда MAX713 неэффективна. При большом токе заряда самое главное вовремя остановиться, а то бедный пальчиковый аккумулятор не выдержит издевательств и улетит в космос. Большие токи заряда это минимум С/2, 1С и даже 2С. Работа MAX713 заключается в том, что она отслеживает ЭДС на выводах батареи и при уменьшении соотношения ΔV/Δt заряжаемой батареи на заранее заданную величину, прекращает заряд большим током и переключается в режим "капельного" заряда. На графике момент остановки заряда показан стрелкой. 

При относительно высоких токах заряда падение ЭДС в конце заряда выражено более ярко, а при токе ниже С/2 вообще мало заметно. Многие, кто применял MAX713 наступили на эти грабли и потом жаловались, что "MAX713 некорректно определяет полный заряд". Ток побольше надо, ага.

Еще MAX713 имеет тормоза по температурному датчику, но я рассматривать их не буду. Помимо температуры АКБ, микросхеме нужно знать температуру окружающей среды. Разрабатывал устройство термоконтроля какой-то псих, а я не готов этот малопонятный девайс дебажить еще неделю.

Итак, знакомство:

1. Vlimit. "Устанавливает максимальное напряжение ячейки. Напряжение на батарее (BATT+ - BATT-) не должно превышать VLIMIT x (количество ячеек). Не превышайте напряжение на VLIMIT выше 2.5V. Подоткните VLIMIT к VREF в нормальных ситуациях." Собственно, я так и собирался сделать, ибо нифига непонятно, а в поздних редакциях даташита кто-то добавил: "Alternatively, connect VLIMIT to V+ to set the maximum cell voltage to an internally preset 1.65V/cell.". То есть не превышайте 2,5v, но если надо - то и 5v уже нормально. ???

2. BATT+. Плюс батареи. И всё.

3, 4. PGM0, PGM1 - задают количество ячеек в батарее. Подключаются по таблице из даташита к V+, REF, BATT-, а также могут висеть в воздухе. Количество элементов от 1 до 16 (!). В моем случае 3-15 соединяются, 4 висит в воздухе.

5, 6, 7 это компаратор температуры. Самое простое - подключить по даташиту и не вникать. К 7 ноге делителем подается опорное напряжение и микруха не пытается мерить какие бы то ни было градусы. Ноги 5 и 6 это ноги компараторов.

8. Сток ключевого транзистора. Во время быстрой зарядки соединен с BATT- (!). То есть на нем будет +0,25 В относительно GND. Используется в основном для индикации режима быстрого заряда, если от плюсового провода подключить к нему светодиод. После окончания заряда и переключении в режим "капельного" заряда, транзистор закроется. Моргалок не предусмотрено, тупой ключ.

9,10. Задают максимальное время заряда (таймер). Одновременно разрешают/запрещают работу детектора окончания заряда и через PGM3 ток капельного заряда. Подключаются по таблице из даташита к V+, REF, BATT-, а также могут висеть в воздухе. Повнимательнее!

11. Частотная компенсация.

12. BATT-. минус батареи и еще священная корова. Нулевая точка отсчета для всего, включая компараторы.

13. GND - минус питания.

14. DRV - выход, через который микруха рулит ключевым элементом и управляет током заряда. Скорее всего, под крышкой MAX713 n-p-n транзистор, коллектор которого DRV, а эмиттер это GND.

15. V+ - плюс питания.

16. REF +2v 10 mA.

Глава вторая. Питание микросхемы и всего зарядника.

Внутри микросхемы между выводами V+ и GND спрятан пятивольтовый стабилитрон. Ток через стабилитрон жестко лимитирован 5...20 мА, вдобавок микросхема не может рассеивать бесконечно много тепла и ток через стабилитрон эти тепловые потери только увеличивает. Следовательно, последовательно с выводом V+ необходимо ставить токоограничительный резистор как можно более высокого сопротивления. А посчитать его можно по формуле: R1 = (входное напряжение - 5V)/5mA.

Вот еще грабли. Если считать как они пишут, результат получается в килоомах! Чтобы получить сразу Омы, делить надо не на 5, а на 0,005. У меня 6,1v входное, следовательно R=(6,1-5)/0,005=220 Ом. Но я считаю, что по нижнему пределу считать неправильно, нужно делить на 0,008 или 0,01 чтобы посчитать в расчете на 8-10 мА. С моими входными 6,1В и резистором 150 Ом, ток стабилитрона получается 7,3 мА - надежно и достаточно. Если к V+ прицеплен еще и какой-нибудь светодиод (плохая идея!, что некуда больше прицепить??? - прим. авт.), то нужно учитывать, что часть тока утечет на сторону и резистор должен быть выбран меньшего сопротивления. 

Напряжение питания всей схемы тоже тот еще гвоздь. И тоже придется считать. Абсолютный минимум: Vin=1,5 + (1,9* <количество ячеек>. В моем случае, по теории 1,5+3,8В =5,3В.
Но! Снова но (сколько их еще будет!), простите за эзотерику. В той немереной кипе литературы и публикаций, что я прочитал за все годы ухаживания за MAX713, у меня сложилось четкое впечатление, что на входе зарядника необходимо поддерживать 5,8В. (Не меньше! - прим. Братца Кролика из м/ф Винни Пух и все-все-все). Может, я и неправ. Но в сегодняшней конструкции зарядника примите эту апологему как есть. Более того, я поэтапно поднял напряжение сперва до 6,0В, а потом еще и до 6,1В.
Микросхеме жизненно необходим запас напряжения. Все из-за того же параметрического стабилизатора на +5В в составе её. Если стабилитрон в микросхеме не войдет в режим стабилизации, у компараторов уедет крыша и зарядка либо никогда не начнется, либо никогда не кончится, что уже чревато запуском металлгидридов в воздушное пространство нашей Родины.
Однако слишком высокое напряжение на входе зарядника тоже плохо. Излишки энергии будут рассеиваться на регулирующем транзисторе, которому и так нелегко. Вывод такой - минимизировать напряжение по входу необходимо, но увлекаться нельзя.

Глава третья. Силовая часть.

Называть "силовой частью" это недоразумение с током 1,6А и напряжением порядка 3,5В как-то слишком помпезно, но все-таки и здесь нужно проявить уважение и техническую дисциплину. Ничего нового я не добавлю: короткие толстые провода, соединение с минусом силовой и измерительной схемы в одной и единственной точке... Емкостные нюансы и наводки здесь не роялят, это тупо линейная схема. Главное чтобы напряжение без нагрузки не сильно отличалось от напряжения под нагрузкой, чтобы MAX713 не приняла эту просадку за признак конца зарядного процесса. Короткие толстые провода вот наш путь.

Путь силового тока в типовой схеме я выделил красным.

И путь это неблизкий. Переходы биполярного транзистора Q1, переход диода D1, внутреннее сопротивление батареи, резистор RSense, плюс сопротивление монтажа. Потерь будет много, сами понимаете, "ехать" с таким количеством "пересадок" долго и нудно. Вызывает вопросы диод D1, но он необходим для исключения протекания тока от АКБ через переход К-Б Q1 и через ногу DRV микросхемы на GND. Логично использовать здесь какой-либо подходящий диод Шоттки, у них малое падение напряжения.

За силу тока в силовой цепи отвечает RSense. Микросхема измеряет напряжение на нем и регулируя ток базы Q1, поддерживает его равным 0,25v. Легко посчитать необходимый номинал RSense

RSense = 0,25V / (требуемый ток заряда)

В моем случае это 0,25v / 1,6A = 0,15625 Ом. Я использую пару резисторов типоразмера 1210 сопротивлением 0,33 Ом параллельно, что даст 0,165 Ом. Конечно же можно использовать один "базовый" резистор и к нему переключателями накидывать добавку (силовую цепь разрывать нельзя, только параллельное подключение!), и тем самым регулировать ток заряда.

Пару слов о Q1. Это должен быть мощный транзистор с достаточно высоким коэффициентом h21. Ибо ток базы равен току коллектора/h21. То есть при h21 =20, и токе коллектора 1,6А, микросхеме придется выдавить из себя 80 мА по выходу DRV. Это много.

Даташит предлагает использовать каскодную* схему включения транзисторов для "high DC IN voltage or to reduce MAX712/MAX713 power dissipation in linear mode", вот что и требовалось. "Повер диссипейшн" это то, о чем обязан думать постоянно тот бедолага, кто решился на битву с MAX713.

Я сразу выбрал "слоновый" совейский транзистор 2Т818А. При заявленном h21 в даташите "Справочном листке" >20, но по факту ток коллектора превышал базовый в 80-100 раз. В октябре 1987 года еще умели делать хорошие транзисторы! Тем не менее я использовал каскодную схему, because i can, признаюсь честно, не совсем понимая в чем ее профит в деле ослабления коллекторного тока внутреннего транзистора MAX713.

_________________________________________________________________________________

*Каско́дный усили́тель[1] — усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых для малого сигнала включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй — по схеме с общей базой (затвором, сеткой).

Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной и проходной ёмкостью.

Название усилителя — акроним, произошло со времён ламповой схемотехники от соединения частей слов из словосочетания «КАСКад через катОД» (англ. "CASCade to cathODE")[2]. Иногда каскодный усилитель называют просто «каскод».

Глава четвертая. Импульсный режим работы силового каскада.

Наверное самая загадочная история.

Видишь суслика? Нет? А он есть! В ранних версиях datasheet такое включение было описано среднеподробно, в поздних версиях datasheet этот вариант был нещадно выпилен.

Магия превращения линейного стабилизатора в импульсный источник заключалась в том, что через ногу СС, которая упрощенно говоря призвана не дать стабилизатору возбудиться по обратной связи, стабилизатор насильно возбуждают. Я собирал эту схему, она мне не понравилась. Ни частота, ни форма управляющих импульсов не идеальны. Это лишь попытка прикручивание очередных костылей к убогому заряднику, с целью улучшить его потребительские качества. Не вышло. Выпилили. Молодцы.

А я не вижу смысла обсуждать нечаянный выкидыш Максима, который заблаговременно убрали в контейнер с биоотходами, "...дабы не смердил, аки скот". Вы можете попытаться показать себя значительно умнее инженеров MAX собрать импульсную схему, старую ревизию даташита я приложу к статье.

Глава пятая. Сборка 2Cell NiMh 1.6A fast-charger

Вышеизложенная теория вылилась в голую практику. Одной из причин по которой не удавалось задружиться с MAX713 - очень неудобное напряжение питания схемы. Ни шесть, ни девять вольт не вариант, таких адаптеров крайне мало. А мне нужен был зарядник, который без риска поджечь дом можно было бы пихнуть в любой подвернувшийся источник питания, а чаще всего под руку подворачиваются 12В (авто-мото) и 19В (ноуты). Учитывая разницу между имеющимся и требующимся напряжениями 6-13В, необходим ИИП. Импульсный источник питания. По счастью я не нашел в закромах LM2576 и не стал городить благоустроенный огород на TL494, а вовремя вспомнил про TPS54331. Плюсов у этой микрухи масса: корпус SO8, высокая частота преобразования, внутренний ключ, небольшой и стандартный дроссель. Я успешно делал на ней 5-вольтовые источники, при нагрузке 2,5-2,8A они не дохли. Для зарядника на MAX713 я выбрал напряжение 6,1В при потребных для моих целей токах 1,6А это вполне посильная задача для TPS54331. И еще огромный плюс то, что рекомендуемая в даташите разводка PCB легко повторяется резаком и линейкой. И несмотря на 570 кГц (!) частоты преобразования, прекрасно работает!

Вот примерно так оно выглядит in action. Это преобразователь на 6В из 8-20В входного.

 Это вывод 8 TPS54331, выход ключа. Честные 570 кГц.

А итоговая схема вышла такой:

Здесь она практически в сборе. Cиловой транзистор и диод расположены с одной стороны радиатора, остальное с другой. Видите на фото выше конденсатор 104? Не делайте так, MAX713 звенит от этого! Всего лишь по привычке заблокировал REF 0,1 мкФ.

 Поскольку диодов Шоттки с общим анодом на корпусе не сыскать, пришлось лепить костыль из полоски латуни. Коллектор транзистора соединен с радиатором.

Светодиод "быстрого заряда" запитан от DC In от выхода первого преобразователя.

Несмотря на все принятые меры, 2Т818А греется как сволочь. КПД преобразователя на TPS54331 примерно равен 93-95%, а суммарно всей конструкции - 50%. При потреблении собственно зарядника на MAX713 от источника 6В - 1,6А, он же от 12В потребляет 0,8А. А полезная мощность закачиваемая в батарейки 6 Вт или около того.

Радиатор получается основой всей конструкции. Силовые цепи разведены хорошим проводом 0,5 мм. кв. MAX713 стоит на своей макетке, а ее обвязка на другой макетной плате и они спаяны в бутерброд. Конструкция прикрыта с тыльной стороны кожухом из поликарбоната, к которому привинчен батарейный отсек.

Перед зарядом АКБ я их разряжаю своей версией разрядника. Она отличается от первой ревизии только резистором 39Ом в цепи светодиода - иначе они дохнут!

Ну и вся штука в сборе:

Выводы: MAX713 в силу устаревших схемных решений и неэффективности относится к категории отборного, пахучего УГ. Что не мешает ей выполнять свои функции. Чтобы прийти к успеху, строя MAX713, нужно иметь твердую теоретическую базу, как минимум.
Если вам необходим домашний отопитель, лучше используйте усилитель класса А, например JLH1969. Но, вдруг вам захочется повозиться с советскими полупроводниковыми приборами, или этих MAX713 у вас скопилось до чёрта - ради бога, дерзайте. А вот нести последние сольдо в магазин где продается MAX713 точно не стоит, микросхема своей немалой цены не оправдывает!

Файлы

Старый даташит на MAX713

Даташит TPS54331