淺談鋰離子電池充電器擴(kuò)流電路設(shè)計

電子技術(shù)是十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初開始發(fā)展起來的新興技術(shù)，二十世紀(jì)發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛，成為近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。 第一代電子產(chǎn)品以電子管為核心。四十年代末世界上誕生了第一只半導(dǎo)體三極管，它以小巧、輕便、省電、壽命長等特點，很快地被各國應(yīng)用起來，在很大范圍內(nèi)取代了電子管。五十年代末期，世界上出現(xiàn)了第一塊集成電路，它把許多晶體管等電子元件集成在一塊硅芯片上，使電子產(chǎn)品向更小型化發(fā)展。集成電路從小規(guī)模集成電路迅速發(fā)展到大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產(chǎn)品向著高效能低消耗、高精度、高穩(wěn)定、智能化的方向發(fā)展。

小型便攜式電子產(chǎn)品采用的鋰離子電池或鋰聚合物電池的容量較小，大部分在400~1000mAh范圍內(nèi)，與之配套的充電器的最大充電電流為450~1000mAh.由于電流不大，一般采用線性充電器。鋰離子電池的不足之處在于對充電器要求比較苛刻，需要保護(hù)電路。鋰離子電池要求的充電方式是恒流恒壓方式，為有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電池?fù)p壞，這就要求較高的控制精度。另外，對于電壓過低的電池需要進(jìn)行預(yù)充，充電器最好帶有熱保護(hù)和時間保護(hù)，為電池提供附加保護(hù)。因此，安全有效的鋰離子電池充電器對于鋰離子電池來說就是必須而且是必要的。

鋰離子電池充電器外接限流型充電電源和P溝道場效應(yīng)管，可以對單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行安全有效的快充，其最大特點是在不使用電感的情況下仍能做到很低的功率耗散，采用8腳μMAX封裝。充電控制精度達(dá)0.75%,可以實現(xiàn)預(yù)充電，具有過壓保護(hù)和溫度保護(hù)功能，最長充電時間限制為鋰離子電池提供二次保護(hù)，鋰離子電池充電器的浮充方式能夠使電池容量充至最大。當(dāng)充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時，插入電池將啟動一次充電過程;充電結(jié)束的條件是平均的脈沖充電電流達(dá)到快充電流的1%,或時間超出片上預(yù)置的充電時間。鋰離子電池充電器能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動快充后打開外接的P型場效應(yīng)管，當(dāng)檢測到電池電壓達(dá)到設(shè)定的門限時進(jìn)入脈沖充電方式，P溝道場效應(yīng)管打開的時間會越來越短，充電結(jié)束時，LED指示燈將會按12%的周期閃爍。

近年來，一些用電量稍大的便攜式電子產(chǎn)品(如便攜式DVD、礦燈、攝像機(jī)、便攜式測量儀器、小型電動工具等)往往采用1500mAh到5400mAh容量的鋰離子電池。若采用500~1000mA充電電流充電器充電，則充電時間太長。

有人提出：能否在1A線性充電器電路中加一個擴(kuò)流電路，使充電電流擴(kuò)大到2~2.5A,解決3000~5400mAh容量鋰離子電池的充電問題。如果擴(kuò)流的充電器性能不錯、電路簡單、成本不高，這是個好主意。筆者就按這一思路設(shè)計一個擴(kuò)流電路。這電路采用型號為CN3056的1A線性充電器為基礎(chǔ)，另外加上擴(kuò)流電路及控制電路組成。

CN3056簡介

CN3056組成的充電器按恒流、恒壓模式充電，若充電電池電壓<3V,則有小電流預(yù)充電模式;充電電流可設(shè)定，最大充電電流為1A;精電密度4.2V±1%、有熱調(diào)節(jié)、欠壓鎖存及電池溫度檢測、超溫保護(hù)及充電狀態(tài)和溫度超差指示功能;10引腳小尺寸DFN封裝(3mm×3mm)。CN3056是可以對單節(jié)鋰離子或者鋰-聚合物電池進(jìn)行恒流/恒壓充電的充電器電路。該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管

若充電率在0.5~1C之間、電池的溫度在0~45℃之間(室溫充電)，則CN3056充電器電路中可省去電池溫度檢測電路及電池超溫指示電路(引腳TEMP及FAULT端接地)，電路如圖1所示。VIN是電源輸入端、CE是使能端，(高電平有效);RISET為充電電流ICH設(shè)定電阻，RISET(Ω)=1800(V)/ICH(A);CHRG為充電狀態(tài)信號輸出端：充電時此端為高電平，LED亮;充電結(jié)束時此端為高阻抗，LED滅;電池未裝入或接觸不良，LED閃亮。

圖1由CN3056構(gòu)成的充電電路

電器擴(kuò)流電路

充電器擴(kuò)流電路是在原充電器電路上加上擴(kuò)流電路組成的。擴(kuò)流電路由兩部分組成：擴(kuò)流部分及控制部分。采用CN3056充電器為基礎(chǔ)，加上擴(kuò)流部分及控制部分電路如圖2所示。

圖2充電器電路[!--empirenews.page--]

1擴(kuò)流部分電路

擴(kuò)流部分電路如圖3所示。它由P溝道功率MOSFET(VT)、R及RP組成的分壓器、肖特基二極管D4組成。利用分壓器調(diào)節(jié)P-MOSFET的-VGS大小，使獲得所需擴(kuò)流電流ID.P-MOSFET的輸出特性如圖4所示。在-VGS=2.1V、VDS>0.5V時，其輸出特性幾乎是一水平直線;在不同的VDS時，ID是恒流。從圖4也可以看出，在-VGS增加時，ID也相應(yīng)增加。

圖3括流部分電路

圖4 P-MOSFET輸出特性

2控制部分電路

控制部分電路的目的是要保持原有的三階段充電模式，在預(yù)充電階段及恒壓充電階段不擴(kuò)流，擴(kuò)流僅在恒流階段，如圖5所示。

圖5括流電路的電流表現(xiàn)

原充電器以1A電流充電，若擴(kuò)流電流為1A,則在恒流充電階段時充電電流為2A.圖5中紅線為充電電池電壓特性、黑線為充電電流特性，實線為加擴(kuò)流特性，虛線為未加擴(kuò)流特性。從圖5可看出：擴(kuò)流的充電時間t5比不擴(kuò)流的時間要短;并且也可以看出：擴(kuò)流僅在恒流充電階段進(jìn)行。

為保證擴(kuò)流在電池電壓3.0V開始，在電池電壓4.15V時結(jié)束，控制電路設(shè)置了窗口比較器，在電池電壓(VBAT)為3.0~4.15V之間控制P-MOSFET導(dǎo)通。在此窗口電壓外，P-MOSFET截止。