前回
リチウムイオンバッテリーチャージャーを
分解して
牙
電源基板とその基板の
回路図を
作成した様子をお見せしました
今回
[音楽]
この
ブロック図の中で
DCDCコンバーターと
低電圧スイッチ
電流検知それとマイクロコンピューターに
よる
充電電流の
[音楽]
コントロールについてこの
シミュレーション回路で
確認してみたいと思いますそしてその前に
最初にバッテリーパックとの通信について
も
説明したいと思います
一番
リチウムイオンバッテリーパック2個
充電器の通信方法です
バッテリーパックの中身はこのような
結線になっています
端子としては1から10品まであります
そして一番と10番に
バッテリー
リチウムイオンのバッテリーが
接続されていますそして2番と9番には
さあミスターが
接続されてこのサーミスタで
リチウムイオンの
異常な温度がないかどうかを検出してい
ますそして
4番7番はこの
リチウムイオンに入っていますパックに
入ってますマイコンの電源そして5番6番
が
送信と受信の
通信の
結線になっています
[音楽]
通信の内容ですが
バッテリーのステータスとしてバッテリー
以上バッテリーの種類これは2000ma
か3000mAかというようなものです
そしてバッテリーのIDで2番目にまん
充電到達回数3番目にバッテリーの
残存容量これらを
通信で見ます
通信方式としましては
重宝同式
同期
気を取っています
これはあまりスピードが
いらないので
マイコンでも
通信機能を
持ったマイコンではなくて
ソフトウェアで
各端子を
処理しています
通信速度は1024BPSです
データの形式としては
ストップビットがあって
8ビットのデータがあって
ストップビットがある2ビットあるこう
いうような方式です
で
データ長は
4種類あってコマンドのみでコマンド
データコマンドデータが2個コマンドと
データが3個のようになっています
で
実際の
送信のタイミングなんですけども
充電器本体からバッテリー
のコマンドを送りますそして
バッテリーから
コマンドを受け取ったよという
バック信号を
受け取りますそして
次に
データを
送って
データが受け取ったよというのをまた
本体に送ります
充電器のDCDC
コンバーター用ICの
機能についてまず説明します
使ってますのは
HA16114
Pでこれはこの仕様書は2003年が最後
だったと思いますので
相当古い
電子電子コンバーターの
初期の
ICです
内容は
2.5v基準電圧の発生それから
三角発進回路の発生
過電流の
検出
回路それから
外部
動機回路
トーテムポール出力
FETドライブから
uvl
低入力
誤動作防止
エラーアンプそれから
vfovp
家電圧検知の回路が
あります
そしてこれは
この内部の
等価回路が
仕様書にありましたように
トランジスタで
の
集積回路ですこれは
発進回路になって
発信周波数を決める抵抗と
コンデンサーを
充放電させて
三角刃を作っていますそして
コンパレーターで確認して
PWMの回路に行きます
そしてここに
ソフトスタート
端子がありまして
発信
三角波の発信回路と
ソフトスタートの
充電回路によって
ソフトスタートが
PWMが徐々に大きくなるような
ソフトスタート回路を作っていますそして
三角波とPWMパレスの関係ですけども
これが
三角波で
ここから
DB端子があってこれによって最大
ビューティーが決まりますそしてエラー
アンプの出力によってそれを
三角貼っと
コンパレートすることによって
PWMパルスを作りますこれの場合
ハッピーチャンネル駆動と
Nチャンネル駆動があります今回は
Bチャンネル駆動の方を
使っています
[音楽]
3番目
充電器基盤回路の
動作を概略説明します
ここから
ACアダプターの
電子出力15vが
入ったかどうかを検出する
分割抵抗がありますそしてここの
トランジスタは
後ろの出力が
非常になった場合
この後ろで
後ろの電源供給を
オフするためのスイッチですそしてこれは
放電用の負荷抵抗です
そしてこの
トランジスタとは
こちらのアンプと
[音楽]
ついで
レギュレーターを
構成していますこれで
12.5vの上下バッテリーリチウム
イオンバッテリーの
充電の上限12.5vの
レギュレーターとして動作するようにして
います
ちなみに
リチウムイオンは
種類によって
上限が
12.5vと
電池によって
差があります
そしてこの
スイッチはこちらの
DCDCコンバーターからの
電流を
流すか
流さないか
オンオフする
スイッチです
そしてこのトランジスタはこのバッテリー
で
圧を
監視するために分圧
抵抗が2つ付いていますけれどもこれを
常時オンすると
バッテリーからの
容量が消耗しますので
充電の時だけこのトランジスタが
オンするように
vccが入った時に
オンするようにしています
そのためにこのトランジスタは
オンした時のサキュレーション電圧が
低い
トランジスタを選定しています
[音楽]
こちらの回路も
全く同じ回路が2つ
つながれています
[音楽]
そしてこの
トランジスターがオンしてこの分厚抵抗で
ここの
基準電圧に5V
と
分圧した電圧が2.5vになるようにここ
が12.5v
の
電圧を分圧して2.5vになるように
このオペアンプで
比較して
この出力を
この
スイッチ用の
TC4066で
[音楽]
スイッチを押してこちらはこの
レギュレーター
トランジスタで12.5vになるようにし
ていますそしてスイッチを切り替えて
こちらが
この
DCDCコンバーターの出力に行くように
してDCDCコンバーターでも12.5v
以上に出力が出ないようにしています
そしてここには
バッテリーに充電する
電流が流れますのでこの
電流を
0.14で
変換して
アンプすることによって
マイコンのADコンバーターに入力して
電流を
チェックしています
次にこのDCDCコンバーターと
この周辺
12.5vのレギュレーターとマイコンに
よる
電流の
充電電流の制御について
説明します
4番目
リチウムバッテリーパックの
充電回路と
動作について
電子電子コンバーター
シミュレーション回路を用いて
説明します
弟子DCコンバーターは
HA16114
Pを
使っておりますのでこのモデルを
主な部分だけ
こちらに
回路を
移設しましたこちらの回路はまず
ACアダプターの電源が
入りますと
電源が
8.5vを超えたかどうかを見て8.5v
を超えていったらOK信号を出すようにし
ていますそのOk信号が出たらこの部分な
んですがこの2.5
ボルト
ギャップリファレンス電圧を作っています
すなわちこの
電流源はこのOkスイングが出たら
2.5vで
80MAの出力を出すリファレンスに出す
ように
設定しています
[音楽]
次に
ノコギリ波の発進回路ですが
発進回路は
下のようにな
回路であると
仕様書に説明されています
すなわち
点1ボルトの
電源を
トランジスタでのエミッターの
抵抗
RTの抵抗に
接続するようになってこの電流
1.1vと抵抗の
電圧
抵抗で電流が流れる分を
こちらの
CTのコンデンサーに
充電することによって
充電の
三角波ができますそして
1.6vを超えるとこちらからの放電に
になるように1点1対4で
放電するような
回路になって
三角波の動作をするようになっています
そこでこちらのモデルでは
電源を1.1v
作成して
そこに
[音楽]
抵抗をつけることによってこの抵抗に
流れる電流を
こちらの電流源で
発生させます
すなわちリファレンス電圧が2Vを超え
たら
RT1の
電流をこの
CTの
コンデンサーに流すことによって
充電をしますそして
放電は
この放電抵抗
放電の
電流源で
放電抵抗に流します
このコンデンサーの放電はこの
電流源で
ここに流れる
rrct1の
放電電流はこの
CD1で決まります
CD1はこの
RT1に流れる電流の3倍を
流すことによって放電して
三角波を作っています
そして
次に
このエラーアンプですがエラーアンプは
同じように
仕様書にありますようにアナログ
回路で
作っていますこれの方が
実際に近いと思います
入力は
この
icnt
-と
インプラスで
この部分になります
そして出力は
このようになって
E0となりますそしてこの
E0を
このコンパレーターで
比較することによって
PWMを発生されますそして
同時に
ソフトスタートの
回路のDBこれが
充電によって上がってきますのでこれと
比較して
PWMを発生させてそのPWMを
FET
ドライブ回路で
電流増幅してこのピーチャンネルの
FETを
オンオフしますそして
この
チョークコイルに流れる電流と
フライホリーに流れる電流によって
電子電子コンバーターを
構成しますそしてこの
負荷として
少し小さいですが
リチウムイオンのバッテリーの
代わりに5000マイクロファラドを
負荷として付けていますそしてこちらは
この電圧が12.5vに
達すると
この
エラーアンプの負荷をそれ以上上がらない
ように
引くように
電流を流して
最後
充電を完了するような
回路にしています
5番目
リチウムイオンバッテリーパックの
充電回路シミュレーションの回路について
説明しますここでは
概略として
バッテリーに
流れた電流はこのケース抵抗で検出して
ここの電圧が
上昇しますここの電圧は
リファレンスの2.5vと
2.5vとこの電圧の上昇分を2キロと3
キロオームの抵抗で分圧していますそして
これがマイナスの端子に加わりますそして
プラスの端子は2
キロと
3キロで分圧した
電圧にこちらからマイコンの
電圧を
供給しますそうするとこの
電圧が
上昇しますので
ここの出力は上昇しますここの
電圧が上昇すると
DCDCコンバーターの
電流がたくさん流れますのでここの電圧が
上昇してこれが一致するところで
安定して電流が
流れるようになりますそれがその結果が
こちらで
この
部分が
リチウムイオンバッテリー見立てた
コンデンサーの電圧で
奈良ボルトからスタートして
徐々に電圧は上昇してここで12.5vに
なるとそれ以上
流れ
電圧が上がらないようにしています
そしてこの
コンパレーターの比較のところの電圧が
この
黒い線の
マイナスと
水色の線のプラスがこのように
1.5Vのところ
付近で出ます
そして
そのエラーアンプの出力はこのように
出てきますそしてこのマイコン制御の
電圧は
ここから
電圧が上がってくるようにしてでさらに
電流を増やして
上がっていきますここから上がりますので
この
インプラスはこの辺から上昇します
上昇すると
DCDCコンバーターが動いて
300ミリアンペアの出力を出し続けます
そして
バッテリー電圧が7.5vを超えると2
アンペアの
充電に移りますそれは
ここのマイコン電圧マイコンからのPWM
電圧がを上げて
2アンペア流れるように設定します
2アンペア流れますとここの電圧も上がり
ますので
アイコンとマイナスアイコンと-
上昇します
上昇して
安定したところで
電流を流しますそして
12.5vの足したところでこの
アンプが働いてこの
eoを下げる
動作をしますその結果
12.5vで
安定した状態を保ちます
次に
実際に
シミュレーションしてみます
LTスパイスの実際の画面ですこの
回路を
ラインします
そうすると
vccが立ち上がって
リファレンスにつながっているエラー
アンプのプラスとマイナスがこの
白い線と
赤い線で行って約1.5Vのところで
発生しますそして
この
水色が
コイルの電流で
この
辺から
コントロール
bwmのコントロール電圧が
でますので
この辺から300ミリアンペアの電流が
流れますそして
電流が増えて
2アンペアの
充電電流が流れて
その後
バッテリー電圧が12.5vに達すると
DCDCコンバーターの
電流が
激減して
12.5vの端子電圧を
保持するようになっています
ここが
前マイクロコンピューターからの
充電電流の制御電圧を発生しています
そしてこれはPWMですので
PWMを
積分して
DCに直すために20キロを生むと
コンデンサ150なのが付いています
そしてこの
電圧
vpwがこの緑の線の
電圧で
この辺りから
300MAを流す大体2ボルトの電圧を
発生していますただ
コンデンサーがありますのでこれは
ゆっくり遅れていきます
そしてこの電圧が
インプラスですのでこの赤線になるわけ
ですけども
赤線も徐々に
上がってきますので
DCDCコンバーターのエラーアンプは
この辺から
徐々に上がって
きてここで
300maの電流が流すようなエラー
アンプ出力になります
そこで
電圧バッテリーの電圧が7.5vに達する
と
マイコンからの
制御信号の電圧が上がって電流制御の電圧
が
上げ上がって
エラーアンプの電圧も上がることによって
DC電子コンバーターの電圧は
2ボルトを2アンペアを
出力するような電圧になります
この
電流を流し続けるとバッテリー電圧が上昇
しますので
実際は電流が入ってくるんですけども
制御で
マイコンからの電流制御電圧を徐々に上げ
ていくことによって
約2アンペアをキープして
電流を流し続けます
ここでDCDCコンバーターの
動作を見てみますここを拡大しますと
こんな風になっていますこれがこのピンク
色が
三角波ですそして
この
黄色のコンプ0というのがこの
エラーアンプ出力と
ソフトスタートの
電圧を
合成したものでこの部分ではエラーアンプ
の出力が出てきますその
三角波とエラーアンプの
コンパレーターを取った波形がこのように
なりますここの
[音楽]
緑の線がこの
FETドライブの出力のアウトになります
このアウト信号が
ローのところで
[音楽]
をFETがオンして
チョークコイルに電流が流れます
そしてこのHYのところでは
オフしますので
電流は
流れないそういう
電子電子コンバーターの動作をしています
ここで
実際の
スイッチングの時の注意事項としてこの
トランジェントの命令の中でマキシマム
タイムステップ今57にしていますがこれ
をなしにすると
どうなるかというのをやってみます
この辺ではあまりよくわかりませんがこの
後
電流がたくさん流れると
ここで
2アンペアの電流が
波打っているのがわかると思います
これを
拡大してみます
これを
拡大すると
このPWMを作っているところが
この
CTの
発信回路の波形が
乱れていることがわかります
これはおそらくこの
シミュレーションの
ステップ制度が
大きめてやらないことによって
精度が悪くなってこの
発信回路の
動作が
うまく
計算できないためやと思います
ですので
こういうところはフィードバックの問題も
ありますが
実際のシミュレーションの計算で
誤差が丸められてこういう
結果になる場合もありますので
スイッチングの場合はこの部分を最大
ステップ数を
変えてみるのも
一つの確認の方法だと思います
[音楽]