鋰離子電池回收變得簡單

本應(yīng)用筆記介紹如何從舊設(shè)備中回收鋰離子（Li+）電池，以用于其他電子設(shè)備，如玩具。這一切都可以在不需要微控制器（或所需的軟件）的情況下完成。一個(gè)挑戰(zhàn)是這些舊設(shè)備中的電池充電器通常不能重復(fù)使用。設(shè)計(jì)人員需要?jiǎng)?chuàng)建自己的充電器電路，本應(yīng)用筆記將詳細(xì)解釋如何創(chuàng)建。

介紹

重復(fù)使用廢棄設(shè)備的鋰離子電池可能非常棘手，因?yàn)檫@些電池通常在設(shè)備內(nèi)部充電。換句話說，沒有可以重復(fù)使用的單獨(dú)充電器。幸運(yùn)的是，事實(shí)證明，為二手（或新）鋰離子電池制造充電器相當(dāng)容易。

像大多數(shù)人一樣，您可能周圍有使用鋰離子電池供電的舊設(shè)備。這種類型的電池已用于過去幾年生產(chǎn)的大多數(shù)便攜式設(shè)備，因?yàn)樗梢院苋菀椎刂圃斐筛鞣N尺寸和形狀，并且具有相對較大的容量（與NiMH和NiCd電池相比）。

您可以用被更新，更好的版本取代的舊MP3播放器或手機(jī)做什么？通常電子產(chǎn)品不能用于任何其他目的，但電池仍然可以使用，即使是玩具。由于電子愛好者往往是一個(gè)有創(chuàng)造力的人，他們通常會(huì)找到一種方法來整合和回收電池。例如，作者用鋰離子電池替換了樂高火車上的三個(gè)手電筒電池（見圖1）。?

圖1.帶有三個(gè)手電筒電池的板子被一個(gè)鋰離子電池取代，用于樂高火車。

但是，這仍然需要為電池充電。原始設(shè)備通常包含一個(gè)用于電池的特殊充電器電路，最有可能在PCB的一小部分上。很難確定哪些組件是充電器電路的一部分，因?yàn)橥ǔ]有用于便攜式設(shè)備的電路圖。在這種情況下，我們只需要建造自己的鋰離子充電器！

巡回賽

本文所述的充電器電路圍繞Maxim集成公司生產(chǎn)的鋰離子充電器IC構(gòu)建，即MAX8677A（見圖2）。該IC完全自主工作，因此不需要微控制器（因此不需要軟件）！MAX8677A使用多個(gè)LED指示充電過程的狀態(tài)。

圖2.MAX8677A內(nèi)部電路框圖

MAX8677A非常靈活，具有智能電源選擇器?拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見圖3），由三個(gè)電子開關(guān)組成，根據(jù)情況引導(dǎo)充電和負(fù)載電流。利用外部電源，MAX8677A可以利用可用電源為電池充電和供電。如果負(fù)載需要的功率超過充電器所能提供的功率，MAX8677A可以使電池提供額外的電流。當(dāng)沒有可用的外部電源時(shí)，負(fù)載僅由電池供電。

MAX8677A可通過引腳15和16 （USB）從USB端口供電。在這種情況下，消耗的電流限制為500mA（USB 2.0端口的最大電流）。該 IC 也可通過引腳 2 和 3 （DC） 由適配器供電，其中電流限制可增加到最大 2A。

圖3.智能電源選擇器技術(shù)根據(jù)需求分配充電和負(fù)載電流。

對于本應(yīng)用筆記（圖4）中的充電器電路，我們使用直流輸入，這為我們設(shè)置各種限值提供了更大的靈活性。輸入端的工作電壓介于 4.1V 至 6.6V 之間。如果電壓過高，MAX8677A關(guān)斷輸入以防止輸入過熱。該 IC 可承受高達(dá) 14V 的電壓尖峰。

充電狀態(tài)由 D1、D2 和 D3 提供。指示以下三種狀態(tài)：電池正在充電 （LED D3）、電池已充滿電 （LED D1） 或電池出現(xiàn)故障 （LED D2）。

圖4.完整的充電器電路主要由MAX8677A和微型USB連接器組成。

該IC可以設(shè)置兩個(gè)電流限值：一個(gè)用于最大充電電流，另一個(gè)用于最大輸入電流。第二個(gè)值應(yīng)始終大于第一個(gè)值。如果不是這種情況，則永遠(yuǎn)無法達(dá)到編程的最大充電電流，因?yàn)樗荒芨哂谧畲筝斎腚娏?。這兩個(gè)限值均使用電阻器設(shè)置。

最大充電電流：

ICHGMAX = 3000/RISET = 3000/R9 = 3000/5.6kΩ = 535mA

最大輸入電流：

IDCMAX = 3000/RPSET = 3000/R6 = 3000/3.3kΩ = 909mA

顯然，您可以根據(jù)適配器的額定功率、設(shè)備的功耗和所需的負(fù)載電流選擇更合適的值。MAX8677A可提供1.5A的最大充電電流。

我們使用了迷你USB連接器，這使得使用現(xiàn)代電源適配器為電路供電變得容易。這也確保了我們使用5V電源。最大輸入電流應(yīng)根據(jù)適配器的額定值進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)適配器可以提供至少 1A 的電流時(shí)，電路運(yùn)行良好。

有NTC熱敏電阻嗎？

電池通常配有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，用于防止電池在過高或過低的溫度下充電。因此，電池有三個(gè)連接：正極端子（BAT+）、負(fù)極端子（BAT-）和NTC熱敏電阻的連接（見圖5）。請注意，一些具有三個(gè)連接的電池內(nèi)部只有一個(gè)用于識(shí)別的普通電阻器。普通電阻的值將是恒定的，不會(huì)隨電池溫度而變化。

圖5.大多數(shù)具有三個(gè)連接的鋰離子電池都連接了一個(gè)內(nèi)部NTC熱敏電阻，如圖所示。

回到圖4，當(dāng)使用NTC熱敏電阻時(shí)，它應(yīng)該連接在THM引腳和地之間（通過BAT連接）。在THM引腳和基準(zhǔn)電壓（VL）之間還連接了一個(gè)電阻（R7），從而產(chǎn)生一個(gè)電位分壓器。選擇電阻值，使其在+25°C溫度下具有與NTC熱敏電阻相同的值。 +25°C 時(shí) THM 引腳上的電壓將等于 0.5 VL。當(dāng)溫度上升或下降時(shí)，NTC熱敏電阻的電阻下降或上升，THM引腳上的電壓也會(huì)下降或上升。僅當(dāng)此電壓介于 0.28 VL 和 0.74 VL 之間時(shí)，設(shè)備才會(huì)充電。對于現(xiàn)代NTC熱敏電阻，這對應(yīng)于0°C至50°C之間的溫度。 當(dāng)沒有NTC熱敏電阻可用時(shí)，應(yīng)添加R8，這會(huì)導(dǎo)致THM引腳上的電壓為0.5 VL。

連接提示

如果您重復(fù)使用手機(jī)電池，默認(rèn)情況下它已經(jīng)具有保護(hù)電路，可防止電池過載和放電太深。但是，如果您想使用單個(gè)電池，例如從舊筆記本電腦電池組中取出的電池，那么您將不得不制作自己的保護(hù)電路。電池組內(nèi)的電路設(shè)計(jì)用于保護(hù)整個(gè)電池組，因此不能用于保護(hù)單個(gè)電池。

一個(gè)簡單的保險(xiǎn)絲（在圖4中顯示為FS1，它是PCB上的表面貼裝器件或SMD保險(xiǎn)絲）提供足夠的過載保護(hù)，這意味著分離的電池完全可用。但是，保險(xiǎn)絲不能提供任何防止深度放電的保護(hù)。當(dāng)這些類型的電池放電過多時(shí)，可能會(huì)損壞它們。當(dāng)歐姆負(fù)載（例如小白熾燈泡）連接時(shí)間過長時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。但是，一旦電源電壓降至某個(gè)值以下，大多數(shù)器件將停止工作，從而阻止電池進(jìn)一步放電。因此，保險(xiǎn)絲是否提供足夠的保護(hù)在很大程度上取決于所連接設(shè)備的類型。

建設(shè)

對于這個(gè)項(xiàng)目，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)緊湊型PCB，它使用大量的SMD（見圖6）。這種設(shè)計(jì)使PCB非常小，這使得它更容易內(nèi)置到設(shè)備中。電路板布局和用于蝕刻PCB的掩模均使用DesignSpark? PCB制成，可從Maxim網(wǎng)站下載。

圖6.為此充電器設(shè)計(jì)的PCB已保持盡可能小，以便于將其構(gòu)建到現(xiàn)有設(shè)備中。

為了安裝 SMD，您需要一些靈巧性和焊接經(jīng)驗(yàn)。對于TQFN封裝的MAX8677A，理想情況下應(yīng)使用回流焊爐，因?yàn)橐_和裸焊盤位于4mm x 4mm封裝的底部。但是，您也可以手動(dòng)焊接設(shè)備。以下各節(jié)將介紹這兩種情況。

使用回流爐

使用回流爐后，您需要進(jìn)行以下連接。PCB上有孔，用于連接LED、電池和負(fù)載，因此可以通過電線輕松連接。mini-USB 連接器有兩個(gè)塑料引腳，適合 PCB 上的相關(guān)孔，用于對齊插座。如果您不想使用mini-USB連接器，則可以使用這兩個(gè)孔來連接電源。在這種情況下，您必須確保電源電壓為5V。

手工焊接TQFN封裝的MAX8677A

如果您有足夠的經(jīng)驗(yàn)，可以用熱風(fēng)烙鐵安裝MAX8677A，但回流爐使工作更加輕松。這里描述的方法解釋了如何使用普通烙鐵安裝器件（見圖7），即使自制PCB沒有通孔電鍍。

圖7.通過手工焊接一個(gè)孔安裝MAX8677A的步驟。

在蝕刻電路板之前，請確保僅保留IC裸露焊盤中的中心孔。周圍的其他八個(gè)孔可以從軟件的設(shè)計(jì)中刪除，或者您可以使用氈筆填充掩模上的孔，這樣它們就不會(huì)出現(xiàn)在PCB上。

在裸露墊的中心鉆一個(gè) 1.5 毫米的孔。

將芯片放置在 PCB 上。

沿芯片側(cè)面焊接所有觸點(diǎn)。使用利茲線整理一切。（作者使用體視顯微鏡來很好地觀察一切。

當(dāng)頂部的所有觸點(diǎn)都已正確焊接后，翻轉(zhuǎn)電路板并將幾塊焊料放入孔中。

找一根緊貼在 1.5 毫米孔中的實(shí)心銅電纜，并使用銼刀使其中一端完全平坦。將此端穿過孔并使用烙鐵加熱。在某些時(shí)候，銅線變得如此之熱，以至于孔中的焊料開始熔化。銅線將略微縮回并與芯片的裸露焊盤接觸。

然后將這根電線焊接到 PCB 焊接側(cè)的接地層.

現(xiàn)在，您將在芯片的裸露焊盤和PCB焊接側(cè)的接地層之間建立良好的電氣和熱連接。

審核編輯：郭婷