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Chargeur USB pour Li-Ion (1S) avec MCP73831
Jérémy
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#1 Message par Jérémy » mar. 2 août 2016 21:22

Bonjour à tous,
format-pile.jpg

Je vous propose un petit Tutoriel, HORS PIC, mais ayant tout de même un rapport avec nos montages.

Il s'agit d'un montage pour recharger une batterie par un PORT USB "standard", pouvant rendre ainsi nos projets nomades!

Effectivement de plus en plus de modules travaillent en 3.3V et nos chers PIC aussi ! (même moins). Cette faible tension de fonctionnement ouvre de multiples possibilités d'alimentation.

Dans ce domaine, plusieurs choix s'offrent à nous en fonction du besoin : prix, poids, capacité, temps de charge, taux de décharge ... .
J'ai opté pour une technologie très courante , pas très chère et ayant un très bon rendement en terme de poids/volume, il s'agit du Lithium-ion. Vous trouverez de nombreux articles sur cette technologie, cousine du Li-ion Polymère (Li-Po).

Le Li-Ion est idéale pour nos projets car un élément Li-ion possède une tension nominale de 3.6V à ses bornes !. (4,2V pleinement chargé)
Ils sont très facilement "récupérables" dans de vieux téléphones, batteries de PC portable et tout autre appareil obsolète !. Ils existent dans différents formats permettant une intégration adaptée .
Comme on ne travaille qu'avec un seul élément nous n'avons pas de contrainte d'équilibrage, mise en série ou en parallèle etc... .

Attention!! Avant de commencer je tiens à rappeler que ces technologies sont dangereuses si elles sont mal employées.
En effet si les phases de charge et de décharge sont mal contrôlées il peut apparaitre un phénomène "d'emballement thermique", et la batterie peut prendre feu, voir exploser !



idea ! Les règles à ne jamais oublier :

Ces règles sont générales et permettent de conserver une cellule saine et de ne pas générer de risques.

==> - Ne JAMAIS charger une cellule à plus de 4.2V .
==> - Ne JAMAIS recharger à plus de 1C ( courant de charge > capacité de l'élément)
==> - Ne JAMAIS faire ou laisser faire se décharger, un élément en dessous de 3V.
==> - Ne pas recharger un élément en dessous de 0°C ou dessus de 45°C.
==> - Ne pas décharger un élément si sa température excède 60°C.


Pour gérer tout ceci on peut faire appel à divers circuit spécialisé, plus ou moins évolué, en fonction de vos connaissances, de l'espace disponible ou même du prix.

dans ce tutoriel/projet je vous parlerais du MCP73831/2 . C'est un des plus simple chargeur que l'on puisse trouver dans le commerce, tout en étant efficace.


1/ Le MCP73831/2 :

schema1.jpg

Data-Sheet


Voici un schéma "de base" servant de point de départ (tiré de la DS) !

Ce module est capable de charger UN et UN seul élément Li-ion quand il est alimenté par une simple prise USB.

La tension de charge est fixée à 4.2V.
Le courant de charge est déterminé par la Résistance de "PROG".



Tour d'horizon de ce circuit:

  • Une broche Vdd qui sera bien évidement la tension d'entrée donc notre 5V issu de l'USB, on lui associe en règle général un condensateur de faible valeur pour découpler(C8).
    La tension minimum d'entrée du MCP73831 devra être supérieur à la tension de charge + 0.3V et son maximum de 6V(d'aprés la DS), parfait pour un port USB non ?!
  • Une broche Vss , la masse, pas besoin de m'étendre dessus il s'agit de la masse de votre montage !
  • Une broche "STAT" pour "STATUS" , indiquant l'état de notre chargeur : cette broche est à Vss quand il charge et à Vdd quand il ne charge pas. Le résultat fait que la led s'allume(sortie a Vss) ou non (sortie à Vdd).
  • Une broche "PROG" pour "PROGRAMMATION", permettant de sélectionner le courant de charge de l'USB. Entre 2K et 67K. Nous utiliserons ici une Résistance de 2K pour pouvoir charger à 500mA. (le maximum pour une sortie USB "classique").
    Fast charge.png

  • Et enfin une Broche Vbat, où l'on viendra brancher notre élément Li-Ion ainsi qu'un condensateur de découplage en parallèle.

Voila brièvement ce que l'on doit savoir sur le module MCP73831/2 . Vous trouverez plus d'explications en épluchant la DS en détail.


2/ Amélioration de l'efficacité de régulation:

Un élément Li-Ion chargé, à une tension de 4.2V à ses bornes.
schema2.jpg

Il va pouvoir descendre jusqu’à 3V (plus bas il se détruit vite).
Sa tension en décharge peut descendre jusqu'à 3V sans risque, ou moins si vous connaissez sa référence et que vous consultiez sa datasheet pour obtenir l'information de tension minimum.


Dans la plupart des montages électroniques, un régulateur de tension est nécessaire afin d'imposer une tension fixe. Le hic c'est que ces régulateurs ont généralement besoin, pour garantir une tension de sortie impeccable, de plusieurs Volts au dessus de leur tension de sortie.

Nous avons donc une chute de tension non négligeable lors de la régulation c'est ce qu'on appelle le "Drop OUT". Pour palier à se problème, nous utiliserons une régulateur spécial, qu'on appelle LDO ( Low Drop Out) .Comme son nom l'indique , il possède un faible Drop Out.

J'ai choisis celui-ci : Data-Sheeet du XC6210

Son TRÈS faible DropOut (50mv), me laisse une bonne marge de tension pour la tension de la batterie allant 3.35V(3.3V+0.05V) à 4.2V.

Nous sommes ici dans le cas ou le circuit fonctionne à 3.3V minimum. Il faudra adapter votre régulateur en fonction de vos critères!




3/ Protection contre les inversions de polarité :
schema3.jpg

L'utilisation d'une diode classique est une solution gênante dans notre cas, du fait de sa tension de seuil .

Et oui, nous alimentons notre circuit en 5V par l'USB, avec une diode en série on perdrait environ 0.7V (Vf). On se retrouverait donc avec 4.3V pour alimenter notre MCP73831/2.
La tension de charge d'un élément Li-Ion doit être de 4.2V max.
Souvenez vous, la tension Vdd minimum est la tension de charge + 0.3V . donc il nous faudrait 4.2 + 0.3 soit 4.5V pour un bon fonctionnement.

Afin d’éviter ce déboire nous utiliserons la, un MOSFET canal P et une diode Schottky (faible Vf) .

Le fonctionnement est subtil.

En absence de tension:

Schéma de principe :
sur batterie.jpg

- Le MOSFET est passant grâce à sa résistance de tirage à la masse. La résistance ( Rdson) du MOSFET court-circuite la diode de Body de celui-ci.
- Il laisse donc passer la tension de la batterie vers le régulateur. La diode schottky (D5) elle bloque une éventuelle décharge vers l'USB, si par exemple on branchait quelque chose sur cette borne.
- La led est éteinte car "STAT" est à l'état haut.
- Le régulateur reçoit la tension de la batterie et régule sa sortie pour obtenir 3.3V !


En présence de tension USB:

Schéma de principe :
Recharge.jpg

- Le MOSFET est bloqué car il reçoit le 5V sur sa Gate et donc se comporte comme un circuit ouvert. Sa diode de body empêche le 5V-USB d'aller directement vers l'élément Li-ion. La batterie est donc isolée et le processus de charge ne se fait donc que par le circuit de charge du MCP73831.
- La diode Schottky est passante et permet donc le passage du courant pour alimenter le module MCP73831/2 ET le régulateur.
- La LED est allumée car la sortie "STAT" est à Vss .


Et voila !




4/ Astuces
micro-usb-B-connector.png

  • J'ai utiliser une prise Micro USB-B, comme celle des smartphones récents.

    Voici le schéma de la prise mâle : Le rouge représente le +5V et le noir la masse.


  • Le circuit consomme légèrement même en l'absence de tension USB. il faut veiller donc à retirer la batterie pour ne pas provoquer une décharge profonde de l'élément , ou isoler complétement l'élément ( solution choisie).

  • La charge se faisant à 500mA max, il faudra veiller à recharger un élément de 500mAh minimum, car au delà d'une charge de C/1 , la batterie risque de se détériorer.

  • A savoir:
    ==> - La tension minimum à ne jamais franchir est 2.5V, et en dessous de 2V la consigne est de ne pas recharger l'élément.
    ==> - Quand vous descendez en dessous de la tension min admissible vous altérez la cyclabilité de manière irréversible.
    ==> - Quand vous descendez en dessous de 2V vous risquez de générer des dendrites qui peuvent percer l'isolant et provoquer un emballement thermique.

  • avec ce module nous ne pouvons pas surveiller la température, je vous conseil fortement de charger seulement sous surveillance !.


Vous trouverez très vite dans la partie "PROJET" (inscription oblige) d'autres montages plus évolués tournant autour de différents circuits . Courant de charge plus élevé, gestion de la température, activation par microcontrôleur etc .....


Je remercie tout particulièrement HULK28 pour sa participation à la création de ce Tutoriel .


http://www.dailymotion.com/video/x4liow3
Vous n’avez pas les permissions nécessaires pour voir les fichiers joints à ce message.
C'est en faisant des erreurs, que l'on apprend le mieux !!!

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#2 Message par sylvain54 » mer. 3 août 2016 11:15

Salut,

:bravo:
Et très bonne initiative de montrer ce genre de petit montage :wink:

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#3 Message par Temps-x » sam. 24 févr. 2018 02:06

Bonjour Jérémy, sylvain54, et tout le forum

Merci ! Pour le partage de cette réalisation, qui pourra aider le futur concepteur de montage autour d'un pic. :wink:

==> A+
Quand la souris nargue le chat, c'est que son trou n'est pas loin.

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#4 Message par F6FCO » sam. 24 févr. 2018 14:07

+1, on est toujours obligé de charger des accus.
Une porte nand prend 2 bits en entrée... cochonne va !!!

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#5 Message par venom » sam. 24 févr. 2018 16:04

Merci Pour ce tutoriel très complet 8-)






@++
En fait tout est une question de BIT ? :-D

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#6 Message par mazertoc » sam. 24 févr. 2018 21:32

Vous avez vu que le tutoriel date de 2016 . . . :-D ?

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#7 Message par F6FCO » mar. 27 févr. 2018 19:52

Pfffttt !!! çà passe trop vite :lol:
Une porte nand prend 2 bits en entrée... cochonne va !!!


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