[Перевод] DIY-зарядник для аккумуляторов ноутбуков на базе контроллера MP26123/MP26124

Это не первый мой проект по разработке зарядного устройства для батарей ноутбуков. Отмечу, что в первом проекте я использовал Max1873. Но для контроля заряда пришлось использовать микроконтроллер ATtiny. Все бы ничего, но здесь требовалось написать специфический код, что усложнило проект.

Второй проект работает на базе MP26123 или MP26124 от Monolithic Power Systems. Эти чипы дают возможность заряжать разряженный аккумулятор, прекращать зарядку при достижении 100% уровня заряда, разряжать уже заряженную батарею и контролировать ее температуру. Достоинством контроллеров является еще и то, что основной FET-свитч расположен внутри, что снижает сложность компоновки. Пример собранной платы — в самом начале статьи. Ну а под катом обсудим подробности проекта.

Подробности проекта

Для разработки платы я изучил спецификацию контроллеров MP26123 и MP26124. Обозначения элементов, которые нужны для платы, показаны на схеме ниже. Есть и исходный файл, если вам захочется изменить дизайн платы.

Важный момент: контроллеры не понижают ток заряда, не ограничивают входной ток. Но на плате есть плавкий предохранитель на 5А. Вместо традиционного для многих плат диода Шоттки я использую PFET для снижения нагрева. PFET вместо диода также используется, чтобы не использовать падение напряжения на диоде в 0,4В. Это важно, поскольку энергии от близкой к полному разряду батареи из 3 ячеек едва хватает для подсветки экрана ноутбука. Контроллеры MP26123/MP26124 запитывают нагрузку понижающего стабилизатора LM2596 либо от батареи, либо от входных 19В. Падений напряжения при подключении или отключении блока питания нет. Контакт включения MP26123/MP26124 находится на самом краю платы, так что при необходимости Pi может отключить зарядку.

На простой SR latch всегда подается питание для того, чтобы активировать нагрузку понижающего регулятора. Это требуется в случае включения кнопочного выключателя питания. SR latch запитывается от 3,3В линейного регулятора или от входного 19В питания. Ток, потребляемый батареей при отключенной нагрузке понижающего регулятора, составляет 315 мкА. Внутренний саморазряд батареи в 2% плюс потери в 3% из-за защитной схемы приводят к полной разрядке аккумулятора за 324 дня. Если вы не планируете использовать ноутбук все это время, лучше просто вынуть аккумулятор. В этом случае саморазряд в 2% приведет к полной разрядке батареи примерно через два года (при условии, конечно, что батарея при извлечении была заряжена на 100%).

Если напряжение аккумуляторной батареи падает ниже 3В для одной ячейки, контроллеры MP26123/MP26124 выполняют предварительную зарядку в течение 30 минут, снижая ток до 10% от тока заряда. Благодаря резистору R12 я снизил полный ток заряда до 1А. Согласно спецификации, контроллеры могут выдержать и 2А, но мне не хотелось сильно нагружать систему. Как только напряжение аккумулятора достигает максимального уровня, зарядное устройство перейдет в ждущий режим (в 10% от номинального тока), а потом отключится.

Максимальное время зарядки установлено на 4,5 часа с конденсатором С6 емкостью в 0,15 мкФ. Значение времени можно менять путем изменения емкости конденсатора — для этого есть таблица данных с формулой. При необходимости термистор батареи 10K NTC может быть подключен к контроллеру питания для отключения тока заряда при повышении или, наоборот, понижении температуры до заданного уровня. По дефолту отключение будет выполнено при 40° C (верхняя граница) или 11° C (нижняя). Если термистор не подключаете, то установите резистор на 10К для эмуляции комнатной температуры.

К сожалению, у контроллеров MP26123/MP26124 есть ряд недостатков. Так, их можно использовать только для заряда ячеек литиевых батарей с напряжением каждой ячейки не более 4,2В. Старые аккумуляторы, где значение было 4,1В, и новые с элементами 4,35 В заряжать при помощи этого устройства нельзя. Но если установить контроллер Max1873, то проблем нет.

Что касается пайки контроллеров, то я использовал самодельную печь, но, конечно, для сборки платы лучше использовать паяльную станцию с нагревом воздуха.

Особенности платы

Ширина дорожек на плате рассчитана на ток не менее 3A. Было проверено несколько вариантов, в итоге было решено остановиться на минимальной ширине дорожек в 5 мм. В первом варианте платы использовалось 3,3В от MP26123 для SR latch, что активировалось лишь при подключении к розетке. Обновленная конструкция включает отдельный линейный регулятор на 3,3В, который поддерживает SR latch в рабочем состоянии хоть при подключенном питании, хоть без него. Размеры платы 62 мм * 54 мм.

Что касается цены, то три платы, изготовленные OSHPark.com, мне обошлись в $26 с доставкой силами USPS. Можно использовать и JLCPCB.com, для этого воспользуйтесь файлом архива MPS_Charge_Controller_2021-02-23.zip. Пять плат обойдется заказчику в $10 со стандартной доставкой.

На графике ниже показаны результаты тестирования MP26123, заряжающего аккумуляторную батарею 3S2P от Lenovo T61.

Также я разместил инструкцию на Instructables, где показано, как подключить плату зарядного устройства батареи к Pi, Teensy и видеокарте. В мануале рассказывается, как использовать Raspberry Pi с питанием от батареи в модифицированном ноутбуке. Там же приложен код на Си, который управляет связью с батареей по шине SMBus, отображая указатели уровня заряда и выключая ноутбук при разряде.