基于CN3705和LM2596的鋰電池充放電系統(tǒng)

目前，消費電子產(chǎn)品越來越多，如智能手機、平板電腦、PSP 游戲機等電子產(chǎn)品，給人們的生活工作娛樂都提供了極大的方便。然而，這些電子產(chǎn)品都有一個共性的缺點就是自身鋰電池的容量有限，經(jīng)常因為沒電了，導致我們的電子產(chǎn)品無法使用。為了解決給電子產(chǎn)品續(xù)航問題，設計了這款集鋰電池充電和放電一體的電路。如圖 1 所示。系統(tǒng)分為三個部分，CN3705 鋰電池充電電路，12V 鋰電池，LM2596 鋰電池放電電路。

1 基于CN3705的鋰電池充電電路

1.1 CN3705芯片簡介

CN3705 為降壓模式鋰電池充電芯片，具有恒流恒壓充電方式。對于深度放電的電池，當電池電壓低于設定的恒壓充電電壓的66.7%時，CN3705采用恒流充電電流的15% 對鋰電池涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當充電電流降低到外部電阻設定的值時，充電結(jié)束。芯片輸入電壓在12V 到28V之間，最大工作頻率為300kHz，輸出最大電流為 5。

1.2 基于CN3705的設計電路

圖2為 CN3705 構(gòu)成的鋰電池充電電路，電路結(jié)構(gòu)為 buck 降壓拓撲結(jié)構(gòu)。輸入電壓在 14V 到 28V 之間，電路 PWM 開關(guān)頻率為300kHz，最大輸出電流為 1.2A，最大輸出電壓為 12.6V。適合給 3 節(jié)串聯(lián) 3.7V 標準鋰電池充電。

圖2中，P 溝 道 MOS 管 Q1、肖特基D2、電感 L1 以及電解電容 C1 構(gòu)成經(jīng)典的buck 降壓充電電路。Q1 的選擇要綜合考慮轉(zhuǎn)換效率、MOS 管的功耗和最高溫度。還要考慮的因素包括導通電阻 Rds(on)，柵極總電荷Qg，輸入電壓和最大充電電流。MOS 管損耗功率計算公式如下所示：

1.3 電感的選著和計算

在正常工作時，瞬態(tài)電感電流是周期性變化的。在 MOS 管導通期間，輸入電壓對電感充電，電感電流增加;在 MOS 管關(guān)斷期間，電感向電池放電，電感電流減小。電感的紋波電流隨著電感值的減小而增大，隨著輸入電壓的增大而增大。有如下經(jīng)驗公式：

1.4 工作方式

1.4.1 恒壓充電

如圖2所示，電池端的電壓通過電阻R2和R4構(gòu)成的電阻分壓網(wǎng)絡反饋到FB管腳，CN3705根據(jù)FB管腳的電壓決定充電狀態(tài)。當FB管腳的電壓接近2.416V 時，充電器進入恒壓充電狀態(tài)。在恒壓充電狀態(tài)，充電電流逐漸下降，電池電壓保持不變。恒壓充電狀態(tài)電池端對應的的電壓為：

其中，Ib是FB管腳的偏置電流，其典型值為50nA。由于電阻R2和 R4 會從電池消耗一定的電流，在選取R2和R4的電阻值時，應首先根據(jù)所允許的消耗的電流選取R2 R4的值，然后再根據(jù)上式分別計算R2和R4的值。這里 R2和R4分別取值為510KΩ 和 120kΩ，得充電電壓為 Vbat=12.71V

1.4.2 恒流充電

1.4.3 涓流充電

在充電狀態(tài)，如果電池電壓低于所設置的恒壓充電電壓的 66.7%，即電池電壓為 8.47V，充電器進入涓流充電模式，此時充電電流為所設置的恒流充電電流的 15%，即電流為 0.15A。

1.4.4 充電結(jié)束

在恒壓充電模式，充電電流逐漸減小當充電電流減小到 EOC 管腳的電阻所設置的電流時，充電結(jié)束。充電結(jié)束電流由下式?jīng)Q定：

R5為是從 EOC 管腳到地之間連接的電阻，單位為歐姆。設定充電結(jié)束電流為0.1A時，計算出 R5=1.3kΩ。

1.4.5 自動再充電

充電結(jié)束以后，如果輸入電源和電池仍然連接在充電器上，由于電池自放電或者負載的原因，電池電壓逐漸下降，當電池電壓降低到所設置的恒壓充電電壓的 91.1% 時(即電壓為11.58V)，將開始新的充電周期，這樣可以保證電池的飽滿度在 80% 以上。

1.4.6 溫度監(jiān)控

為了監(jiān)測電池的溫度，采用負熱敏電阻NTC(如圖 2 電路所示)緊貼電池。當電池的溫度超出可以接受的范圍時，充電將被暫時停止，直到電池溫度回復到正常范圍內(nèi)。

鋰電池的充電工作溫度在0到45間，這里選取的負熱敏電阻，滿足在25 時應該為10kΩ，在上限溫度點時其電阻值應該大約為 3.5kΩ( 約對應 50 );在下限溫度點時其電阻值應該大約為 32kΩ( 約對應 0 )

2 LM2596輸出電路

2.1 LM2596簡介

LM2596 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出 3A 的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。該器件內(nèi)部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為 150KHz。此芯片還具有在特定的輸入電壓和輸出負載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在 ±4% 的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在 ±15%的范圍內(nèi);可以用僅 80μA 的待機電流，實現(xiàn)外部斷電;具有自我保護電路(一個兩級 降頻限流保護和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護電路)。

2.2 輸出電路部分

LM2576有多種型號，這里選擇固定輸出5V的LM2596芯片。此電路構(gòu)成非常簡單，如電路圖3。只需要輸入電容C10、C11，肖特基二極管D3，電感 L2，輸出電容C12、C13 即可。

輸入濾波電容，輸入耐壓和電流均方根是輸入電容的重要參數(shù)。當 LM2596 輸入電壓為 12V 時，鋁電解電容的耐壓壓大于 18V(1.5&TImes;Vin)。輸入電容電流的均方根為輸出負載電流的一半，為 1.5A。根據(jù)圖 4 所示，在曲線中，680μF/35V 的電解電容滿足要求。

輸出濾波電容一般選擇耐壓值為 10V 的電解電容既可以，為了得到輸出較小的紋波，輸出電容盡量選擇大點。這里選擇電容值為220uH 的電解電容，輸出紋波即可在 1% 之內(nèi)。

圖 4： 電解電容耐壓值，電流均方根，電容值關(guān)系

肖特基二極管 D3 這里選擇 5A/20V 的IN5823 既可以產(chǎn)生較好的效果。而且短路時也不會產(chǎn)生過載。

3 小結(jié)

經(jīng)過測試此電路系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定工作，CN3705 鋰電池充電電路工作效率可以達到91.0%;LM2596 放電電路工作效率，當輸出1.0A 電流時工作效率可達 84%，輸出電路 2.1A時 ， 電路工作效率可達 82.3%，當輸出 3.0A 電路時電路工作效率為 79%。且輸出電壓紋波均小于 2%。