1.引言
隨著高科技的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品不斷走向低功耗、微型化，以便于人們在生活中隨身攜帶使用。這些產(chǎn)品有一個共同的特點，就是利用電池作為供電電源，比如手機、MP4、便攜式測量設備等產(chǎn)品。電池的種類很多，當前廣泛使用的是鋰離子電池，這種電池與傳統(tǒng)的鉛酸和鎳鎘等電池相比，具有比能量高、自放電小、工作電壓高、使用壽命長、污染小等優(yōu)點，但鋰離子電池也有自身的缺點，其對充電電流、電壓、溫度等都有嚴格要求，稍不小心，就可能導致電池受損、報廢。
本文介紹的LTC4007EGN芯片是Linear公司新推出的一款鋰離子電池智能充電控制器，其依據(jù)鋰離子電池特性定制，具備對三節(jié)或四節(jié)鋰離子電池組進行大電流恒流、恒壓、定時充電、過熱保護等多種功能，實際應用表明，該控制器能對鋰電池組進行大電流充電，同時其小型SSOP24封裝特別適合應用于集成度高、電路板空間有限的場合。
2.控制器簡介
LTC4007封裝如圖1所示，其具有以下性能特點：
(1)對3節(jié)或4節(jié)鋰離子電池組充電;
(2)轉換效率高達96%;
(3)輸出最大電流超過4A;
(4)充電電壓精度可達±0.8%;
(5)內(nèi)置過熱保護功能;
(6)具備交流適配器電流限制功能;
(7)充電電流輸出監(jiān)測;
(8)工作狀態(tài)標示：充電、C/10充電電流、適配器連接、電池低電壓、輸入電流限制、故障。
LTC4007是一種恒流/恒壓的鋰離子電池充電控制器，具有同步、準恒定頻率、恒定關斷時間的PWM控制結構，在使用陶瓷電容的情況下也不會產(chǎn)生聽的見的噪聲。利用電流設置電阻可以將充電電流精度控制到±5%,充電電流的大小通過控制器PROG管腳輸出的電壓監(jiān)測。
充電電壓通過控制器編程管腳可以設置為3節(jié)或4節(jié)，每節(jié)電壓可設置為4.2V或4.1V.充電時間通過外部定時電阻設定。當電池電壓低于3.9V/節(jié)時，控制器可以自動開始充電。
當每節(jié)電池電壓低于2.5V時，電池電壓過低標示警告，利用此標示LTC4007能設計自動涓流起始充電功能，避免損壞電池，當充電時間達1/4總充電時間，電池仍為低電壓時停止充電，顯示故障標示。
3.工作原理
LTC4007典型應用原理圖如圖2所示。結合原理圖按功能對其工作原理進行介紹。
3.1 電池充電控制
充電時，應先連接待充電電池，然后開啟電源進行充電，控制器首先檢查電池電壓，當電池電壓低于2.5V/節(jié)時，先進行涓流充電，待電池電壓上升到2.5V以上，進入恒流充電階段，電池電壓不斷上升，當達到設定電壓時，進入恒壓充電階段，直至充電定時時間截止。
充電過程中，控制器通過TGATE、BGATE管腳驅動PMOS管Q1和NMOS管Q2的周期通斷來實現(xiàn)電池的充電控制。每個周期過程中，控制器首先驅動開啟Q1,關閉Q2,外部電源對電池進行瞬間充電，然后關閉Q1,開啟Q2,電池進行瞬間放電。TGATE、BGATE的電平時序圖如圖3所示。
3.2 電流設定
LTC4007能通過電阻RCL和RSENSE設定適配器的最大輸出電流(0.1V/RCL)和最大充電電流(0.1V/RSENSE)。設計常用的參數(shù)如表1和表2所示。
從表1和表2可知，圖2中適配器的最大輸出電流為3A左右，最大充電電流均為3A.
3.3 充電電壓設定
LTC4007通過管腳3C4C和CHEM設定充電電壓。管腳3C4C設定電池節(jié)數(shù)，邏輯低時，表示3節(jié);邏輯高時，表示4節(jié)。管腳CHEM設定每節(jié)電池充電電壓，邏輯低時，表示4.1V/節(jié);邏輯高時，表示4.2V/節(jié)。管腳接地時表示邏輯低，管腳懸空時表示邏輯高。表3詳細描述了不同設定下的充電電壓值VFINAL.由此可知，圖2中的充電電壓設定為16.8V.
3.4 定時時間設定
正常充電時間通過連接在管腳RT端的定時電阻RT設定，范圍為1~3小時，誤差在±15%以內(nèi)。定時時長TTIMER用公式表示：
TTIMER=RT/154kΩ(小時) (1)
根據(jù)上述公式可知圖2中的定時時長為2小時左右。
3.5 過熱保護
LTC4007的管腳NTC端外接一個NTC熱敏電阻網(wǎng)絡，控制器內(nèi)部不斷采樣該管腳的電壓值，即熱敏電阻網(wǎng)絡輸出的電壓值來判斷電池溫度是否在安全范圍內(nèi)，圖2中由器件C7、R9、THERMISTOR熱敏電阻組成。當電壓值超過設定的安全范圍，則充電暫停，當電壓值恢復到安全范圍后，充電繼續(xù)。通過在DCIN和NTC管腳間接入一個電阻可以禁止過熱保護功能。
3.6 涓流充電
當鋰離子電池電量耗盡時，直接對其進行大電流充電容易損壞電池，需先進行小電流充電，即涓流充電，當電池電壓達到一定值之后再進行大電流充電。
圖2中，LTC4007能自動對電壓小于2.5V/節(jié)的電池進行涓流充電，充電電流為一般為1C的10%.當監(jiān)測到電池電壓小于2.5V/節(jié)時，管腳LOBAT 低電平，Q4關閉，連接在管腳PROG的電阻則增大RPROG=R6+R14,充電電流將減小，為300mA左右;當電池電壓高于2.5V/節(jié)時，管腳LOBAT高電平，Q4短接R14,連接在管腳PROG的電阻變小，RPROG=R6,充電電流將增至3A.
4.應用實例
實際應用中需對4節(jié)鋰離子電池組成的電池組(4.2V/節(jié))進行充電，充電電流大小為4A,充電時間需3小時左右。
根據(jù)應用需求，設計中LTC4007管腳3C4C和CHEM懸空，即充電電壓為16.8V;電阻RCL取0.025Ω，即適配器輸出電流限制在4A左右;電阻RSENSE取0.025Ω，即充電電流限制為4A;電阻RT取499K,即充電時間為3小時左右。
LTC4007控制器通過檢測電阻RSENSE兩端的電壓來控制恒流充電，因此，此處電壓檢測的準確性將影響到控制器能否正常進行充電。PCB設計中，在RSENSE兩端需采用Kelvin連接方式，如圖4所示。RSENSE接至控制器管腳CSP和BAT端，其CSP和BAT需差分走線，且走線長度盡量短。
在LTC4007的PCB設計中，除上述Kelvin連接外還需注意一下幾個方面的問題。
(1)設計大電流充電時，需考慮線寬和相關芯片的散熱，尤其是MOS開關管;
(2)電源輸入端電容盡量接近INFET管和地端，且這部分需位于電路板同一面;充電輸出端電容盡量接近電阻RSENSE;
(3)充電回路盡量短，且相關器件需位于電路板同一面;
(4)電路模擬地和信號地需分開，最后通過0Ω電阻短接，相關元器件接地端需就近接地，同時敷地銅以改善EMI性能。
充電電路板對鋰離子電池組充電的試驗測試數(shù)據(jù)如表4所示。鋰離子電池組初始電壓為15.2V.
5.結束語
單節(jié)鋰離子電池小電流充電控制器種類繁多，但多節(jié)鋰離子電池組大電流充電的智能控制器較少，Linear公司推出的LTC4007智能充電控制器具有封裝小，能根據(jù)設計需求設定充電電壓、充電電流，同時具備限流、定時、過熱保護的功能，其提供的各種狀態(tài)標示接口，能滿足擴展設計的需求。在實際應用中，以LTC4007控制器為核心設計的充電器能對4節(jié)鋰電池組成的電池組進行4A大電流，各項指標均達到設計需求。
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