วงจรป้องกัน ของแบตเตอรี่ลิเธียม

วงจรป้องกัน ของแบตเตอรี่ลิเธียม
เจาะลึกวงจรป้องกันในแบตเตอรี่ลิเธียม

ข้อควรระวัง !!!
หัวข้อนี้มีข้อความชวนปวดหัว และศัพท์วิศวกรรมมากมาย ถ้าอ่านมาถึงตรงนี้แล้วง่วง หากอ่านต่อท่านอาจจะหลับได้ กรุณาเบรคกินกาแฟก่อนสัก 2 แก้วก่อนอ่านวงจรป้องกันที่จะพูดถึง เป็นวงจรป้องกันอิเลกทรอนิกส์ มีวงจรตรวจจับแรงดัน กระแส และใช้ MOSFET กำลังสูงแต่ขนาดเล็ก เป็นสวิตช์ตัด-ต่อ ตัวของวงจรตรวจจับแรงดันเป็นไอซีเฉพาะงานขนาดเล็ก ออกแบบมาเรียบร้อยโดยแทบไม่ต้องใช้อุปกรณ์ภายนอกเพิ่มอีก จะมีก็เพียง R C และมอสเฟท รวมสามสี่ตัวเท่านั้น ทั้งหมดเป็นอุปกรณ์ SMD ขนาดจิ๋ว ติดตั้งบนผิวหน้าแผงวงจร ขนาดแผงวงจรเล็กๆ บางๆ ซึ่งใช้เป็น Contact สำหรับต่อแรงดันออกไปใช้งานด้วย

รูปที่ 3 ส่วนหนึ่งจากดาต้าชีทไอซีป้องกันแบตเตอรีลิเธียม เบอร์ NCP 800
อย่าเพิ่งไปงงกับ C และ R ข้างๆ เขาใส่ไว้เพื่อการทำงานที่มีเสถียรภาพ ตามข้อกำหนดของผู้ผลิตไอซีและตามรูปแบบการใช้งาน เครื่องหมาย บวก ลบ ด้านบนขวาคือขั้วไฟ + / - ของแบตเตอรี่ ก้อนถ่านทางซ้ายคือเซลลิเธียม กรอบเส้นประที่มีตัวอักษร NCP800 คือไอซีวงจรป้องกันแบตเตอรี่ ส่วนมอสเฟท 2 ตัว ด้านล่าง ทำงานเป็นสวิตช์ตัดต่อ ตัวทางขวาใช้ตัดไม่ให้ชาร์จเมื่อเซลมีแรงดันไฟฟ้าสูงเกินไป ส่วนตัวทางซ้าย ใช้ตัดเมื่อแรงดันในเซลมีค่าต่ำเกินไป
ในมอสเฟท จะมีไดโอดต่อกลับด้านกับทิศทางนำกระแสอยู่ 1 ตัว ไดโอดนี้มีในมอสเฟททุกตัวในโลก ซึ่งเกิดจากโครงสร้างของมันเองที่จำเป็นต้องเกิดไดโอดอยู่ 1 ตัว (แม้จะไม่ต้องการใช้ก็ตาม) แต่ไดโอดนี้เป็นประโยชน์ในการใช้งานเป็นวงจรป้องกันแบตเตอรี่ด้วย
เพื่อนๆ ที่เรียนมาพิจารณารูปวงจรแล้วอาจจะ ว่า อ้าว ไหงมอสเฟทต่อแบบนั้นล่ะ งั้นตอนชาร์จ มอสเฟทตัวซ้ายก็ทำงานกลับด้าน และตัวขวาตอนจ่ายไฟออกก็ทำงานกลับด้านอีก กระแสไหลผ่านไดโอดมาแทน ไฟก็ตกไป 0.6 โวลต์ แล้วแบตเตอรี่จะมีไฟออกเต็มๆ ตามปกติได้อย่างไร??? ขอตอบว่า จริงๆ แล้วมอสเฟท สามารถนำกระแสในทิศเดียวกับไดโอดได้ (กลับทางกับปกติ) ทำให้แรงดันตกคร่อมขา เดรน-ซอร์ซ ลดลงเหลือไม่กี่มิลลิโวลต์ ซึ่งในขณะมอสเฟทนำกระแสตามปกติความต้านทานภายในต่ำมากๆ

รูปที่ 4 ส่วนหนึ่งของดาต้าชีท มอสเฟทคู่ขนาดจิ๋ว เบอร์ IRF7530 จะเห็นว่า ความต้านทานภายใน RDS(on) ต่ำมาก
การทำงานเมื่อตัดแรงดันเกินขณะชาร์จ
ขณะที่ชาร์จและแรงดันไฟฟ้าในเซลสูงเกินไป ประมาณ 4.3 โวลต์ ไอซีจะสั่งงานตัดไบอัสของมอสเฟทตัวขวาของรูปที่ 3 ทำให้ชาร์จไฟไม่เข้าอีกต่อไป ถ้าขณะที่ถูกตัดวงจรฝั่งชาร์จ เรานำแบตเตอรี่ไปจ่ายไฟออก กระแสจะไหลผ่านไดโอดภายในมอสเฟทตัวขวาดังกล่าวแทน (ซึ่งเฟทอยู่ในสถานะ turn off อยู่) กระแสสามารถไหลเข้าโหลดได้ แต่แรงดันที่ออกมาจะต่ำกว่าปกติเพราะไปตกคร่อมไดโอดเสียประมาณ 0.6 โวลต์ จนกว่าแรงดันในเซลจะตกลงมาในระดับปกติ ไอซีจึงจะส่งไบอัสให้มอสเฟทตัวขวาแรงดันออกจึงกลับมาเกือบเท่ากับแรงดันในเซล
การทำงานเมื่อตัดแรงดันตกต่ำเกินไปขณะจ่ายไฟ
ขณะที่แบตเตอรี่จ่ายไฟออกมาจนกระทั่งแรงดันค่อยๆ ลดต่ำลงมา ประมาณ 2.5 โวลต์ ไอซีจะสั่งงานตัดไบอัสมอสเฟทตัวซ้ายของรูปที่ 3 ทำให้ไม่สามารถจ่ายไฟออกได้อีกต่อไป และเมื่อชาร์จไฟกลับเข้าไป กระแสจะไหลผ่านไดโอดของมอสเฟทตัวทางซ้ายดังกล่าวแทน (ซึ่งเฟทอยู่ในสถานะ turn off อยู่) กระแสสามารถไหลเข้าไปชาร์จได้ และขณะที่ชาร์จถ้าวัดแรงดันตกคร่อมแบตเตอรี่ด้วย จะพบว่า แรงดันตกคร่อมขั้วแบตเตอรี่สูงกว่าปกติอยู่ 0.6 โวลต์ เพราะบวกแรงดันคร่อมไดโอดเข้าไปด้วย จนกว่าแรงดันในเซลจะสูงขึ้นจนถึงระดับปกติ ไอซีจึงจะส่งไบอัสให้มอสเฟทตัวซ้าย แรงดันที่ขั้วแบตเตอรี่จึงกลับมาเกือบเท่ากับแรงดันในเซล
ดูเหมือนไม่มีปัญหาอะไรใช่ไหมขณะชาร์จ ?? แต่แท้จริงแล้ว การชาร์จด้วยตัวโทรศัพท์มือถือเอง มีข้อจำกัดอยู่ ตรงที่วงจรชาร์จของโทรศัพท์มือถือ จะต้องมีไฟเลี้ยงจากแบตเตอรี่อยู่ในระดับหนึ่งก่อนให้วงจรควบคุมของโทรศัพท์ทำงาน การชาร์จจึงจะเริ่มต้นได้ แต่เมื่อวงจรป้องกันตัดไปเสียแล้ว เสียบชาร์จไว้นานเท่าใดมันก็ไม่มีการชาร์จเกิดขึ้น ยกเว้นเครื่องบางรุ่น เสียบทิ้งไว้ประมาณครึ่งวันจะสามารถชาร์จได้ เพราะในเครื่องมีตัวจ่ายกระแสสำรองค่าต่ำมากๆ อยู่ สำหรับไว้ชาร์จเซลที่แรงดันต่ำกว่าปกติจนถูกตัด ให้สามารถกลับมีแรงดันสูงพอที่จะเริ่มการทำงานของวงจรชาร์จปกติได้ เครื่องที่มีตัวจ่ายกระแสสำรองนี้ จะทำให้แบตเตอรี่บวมพองและเสียหายได้ ถ้าเสียบชาร์จทิ้งไว้นานเกินไป เช่น เสียบทิ้งข้ามวันข้ามคืน เนื่องจากแบตเตอรี่จะถูกชาร์จด้วยกระแสต่ำๆ อยู่ตลอดเวลา ข้อดี-ข้อเสียนี้จำต้องแลกกัน ดังนั้น เครื่องบางยี่ห้ออาจจะมี บางยี่ห้ออาจจะไม่มี ขึ้นกับการออกแบบ ซึ่งส่วนใหญ่จะปลอดภัยไว้ก่อน คือ ไม่มีระบบนี้
การแก้ไขแบตเตอรี่ที่วงจรภายในตัด และไม่สามารถเปิดเครื่องได้
ปกติช่างส่วนใหญ่มักจะนึกถึงแบตเตอรี่ตระกูลนิเกิล ที่ชอบความรุนแรง เมื่อเซลบางเซลลัดวงจรเนื่องจากโครงสร้างภายในเกิดผลึกเจาะทะลุแผ่นเมมเบรนแยกระหว่างขั้วและลัดวงจร การแก้ไขเซลนิกเกิลที่ช่างนึกถึงก่อนเลยคือ เอาไฟกระแสสูงๆ จ่ายพรวดเข้าไป สักสี่ซ้าห้าแอมป์ ไม่กี่วินาที ผลึกที่ลัดวงจรภายในจะหลุดออก และก็กลับมาใช้ได้เหมือนเดิม ...
แต่ แบตเตอรี่ที่ใช้เซลชนิดลิเธียม ทำแบบนี้ไม่ได้ เพราะ วงจรป้องกันจะพังเสียหายทันทีที่คุณเอากระแสสูงๆ จ่ายเข้าไป ถึงแม้ว่ามอสเฟทจะรับกระแสไหลต่อเนื่องได้สูงถึง 5 แอมป์(สูงสุด) แต่มันกลับรับกำลังงานตกคร่อมได้ต่ำมาก เพราะตัวถังที่เล็กจิ๋วของมันระบายความร้อนไม่ทัน มาคำนวณกันเล่นๆ ดู...
กระแส 5 แอมป์ ไหลผ่านความต้านทาน RDS(on) ค่า 0.03 โอห์ม มีแรงดันตกคร่อมมอสเฟท เท่ากับ..
VDS = ID x RDS(on)
0.15 = 5 x 0.03
กำลังตกคร่อมมอสเฟท เท่ากับ...
P = VDS x ID
0.75 = 0.15 x 5
กำลังงานตกคร่อมมอสเฟท 0.75 วัตต์ ร้อนพอที่จะทำให้พังได้ถ้าระบายความร้อนไม่ทัน แต่ ยังก่อน...! มาดูว่าถ้าเป็นการทำงานของวงจรป้องกันเซลแล้ว ไดโอดภายในมอสเฟทจะรับกระแสทั้งหมดในขณะที่ไอซีป้องกันสั่งตัดวงจร และมีแรงดันตกคร่อมไดโอดที่สูง ประมาณ 0.6 โวลต์ มาดูกัน ว่าถ้ากระแสไหลสัก 5 แอมป์จะเกิดอะไรขึ้น ... ?
กำลังตกคร่อมมอสเฟทกรณีไอซีสั่งตัดวงจร เท่ากับ...
P = VDS x ID
3 = 0.6 x 5
กำลังตกคร่อมจะเท่ากับ 3 วัตต์ มอสเฟทจะเสียในทันที ดูว่าเสียจริงหรือจากตารางข้างล่างนี้

รูปที่ 6 ไม่รู้ๆๆ พ้มไม่ได้เป็นคนทำพังๆๆๆๆ
เห็นกันไปแล้วว่าวงจรป้องกันอาจจะพังได้ ถ้าทำอย่างเดียวกับแบตเตอรี่ตระกูลนิเกิล โดยจ่ายไฟอัดตูมเข้าไปในแบตเตอรี่ลิเธียม แต่เรื่องก็ยังไม่จบอีกนั่นละ ที่แรงดันต่ำๆ เซลลิเธียมไม่อาจจะรับกระแสสูงๆ ได้ในทันที เพราะมันจะเกิดกาซขึ้น และก่อให้เกิดผลึกทองแดงในโครงสร้างภายใน จะมีอะไรเกิดขึ้นต่อมาคิดว่าคงยังจำกันได้ นั่นคือการเสียเสถียรภาพของเซล เหมือนเอาบุหรี่ไปจ่อลูกโป่งที่บรรจุกาซไฮโดรเจน ถ้าผลึกทองแดงในเซลดันทิ่มทะลุไปลัดวงจรกันเมื่อไรก็คงได้เห็นข่าวหน้า 1 แน่นอน (ช่างซ่อมมือถือตายสยอง แบตเตอรี่ระเบิดใส่หน้า !!!)

การชาร์จที่ถูกต้องในขั้นตอนนี้ คือ ชาร์จด้วยกระแสต่ำๆ ประมาณ 0.1 C โดยแหล่งจ่ายไฟภายนอก และจำเป็นต้องเป็นเครื่อง Lab Power Supply ที่สามารถปรับตั้งกระแส และแรงดันได้ละเอียดทศนิยมอย่างน้อย 2 หลัก ให้ตั้งแรงดันที่ 4.15 โวลต์ กระแสให้ดูตามความจุของแบตเตอรี่ เช่น แบตเตอรี่ขนาด 600 mAh ควรชาร์จด้วยกระแสประมาณ 60 mA ให้ชาร์จจนกว่าแรงดันจะขึ้นสูงถึง 3.6 โวลต์ แล้วจึงปรับกระแสให้สูงขึ้นถึงระดับปกติได้ ประมาณ 0.6 - 1C

รูปที่ 5 ส่วนหนึ่งจากดาต้าชีทของมอสเฟทคู่ เบอร์ IRF7530 สเปกค่าสูงสุดก่อนพังเสียหาย