如何使用MCP73844制作一個2S充電器模塊

在這個項目中，我們將使用微芯片的 MCP73844 模塊制作一個 2S 充電器模塊。該充電器能夠承受 2-12 伏特之間的電壓，并以 2S 配置為鋰離子和鋰聚合物電池充電。該項目的目的是開發(fā)一種充電電路，可在任何消費級項目中用作子系統(tǒng)。充電器模塊可以連接標準移動適配器或移動電源，也可以使用 12 伏充電器供電。我還將告訴您我們?nèi)绾瓮ㄟ^修改單個組件使用相同的電路為單個鋰離子或鋰聚合物電池充電。在這個項目中，我將在內(nèi)部設計和制造整個電路，從電路設計、PCB 制造和焊接 SMD 元件的一切都在內(nèi)部完成。我們還將看到如何改變充電速率、散熱、和其他參數(shù)，以使電路適用于不同的用例。我們之前做過不同的適用于不同電池化學成分或具有不同功能的電池充電器，如果您對此感興趣或想了解有關電池的更多信息，請單擊鏈接查看文章。

電池充電器電路概述

如上所述，該電路可以承受 2V 到 12V 之間的任何電壓，因此我們主要關注由所有手機充電器、移動電源甚至計算機的 USB 端口提供的 5V 輸入。電路分為2部分。使用 5V 輸入時，第一步是將電壓從 5V 升壓，以便我們的充電器 IC 可以使用它。我們將這個電壓提升到 12 伏。然后將升壓后的電壓饋入充電控制器電路，該電路隨后提供受控輸出以對電池充電。

MCP73844 線性充電管理控制器

系統(tǒng)的主要核心是充電器管理控制器 IC。我在這個項目中使用了Microchip MCP73844。該 IC 屬于 Microchip 的線性管理控制器系列MCP 7384x，該系列專為低成本和空間有限的應用而設計。這些高度先進的 IC 采用恒壓（CV） 和恒流（CC） 充電技術，與大多數(shù)低成本產(chǎn)品不同，它們具有電池預處理、自動充電終止、充電指示、安全定時器，甚至可選的電池溫度監(jiān)控等功能。我們使用的 IC 采用 8 引腳 MSOP 封裝，如果您想要可選的電池溫度功能，您可以選擇MCP73841或MCP73842。MCP73843/MCP73844 模塊的應用電路如下所示。

圖 1 鋰離子電池充電器電路

我們 IC 的功能框圖取自數(shù)據(jù)表，如下所示：

在上面的功能框圖中，THREF 和 THERM 2 個引腳僅在 MCP73841/MCP73842 中可用，用于監(jiān)控電池溫度，這些 IC 采用 10 引腳 MSOP 封裝，不同于 8 引腳 MSOP 封裝。我們用過的IC。除了這 2 個引腳之外，所有 4 個 IC 的連接和功能都是相似的。IC的引腳說明如下：

元件選擇

充電器是高度可定制的，我們可以通過選擇不同的無源元件來選擇不同的充電速率、效率等。我們設計的充電電路是針對 2S 電池配置的最大 2A/小時充電速率。通過將最大輸出電壓 （Vout_max） 與最大輸出電流 （Iout_max） 積分可以得出最大功率。因此，功率將為 16.8 瓦。我們的 IC 的連接如下所示。

筆記：

電阻值會改變此時的熱量產(chǎn)生和功率損耗，可以通過公式 P=R*（I*I） 計算

功耗= 100 m W ′ 1 A^ 2 = 100 mW

因此，您在決定快速充電率時必須考慮到這一點。

我們使用的 MOSFET 是 P 溝道MOSFET S19433BDY，您可以用Fairchild? NDS8434 或 IRF7404 替換這個。

電池管理輸入引腳 （VDD）

VDD 是輸入電源，當 VDD 電源不存在時，它還可以防止電池耗盡，它在低于某個電壓閾值時進入斷電模式，從而提高電池的使用壽命。

我們使用肖特基二極管來防止反向電流流入升壓電路。

散熱考慮

在選擇組件時，您要么必須限制充電電流，要么必須增加銅焊盤尺寸并包括多個通孔以有效散熱，從而實現(xiàn)更好、更持久的操作。在選擇組件時，您必須進行設計權衡。

絕對最大額定值

VDD -- 13.5V

所有輸入和輸出 wrt -- -0.3 至 （VDD+0.3）V

DRV 引腳上的電流 -- ±4 mA

STAT1 引腳電流 -- ±30 mA

最高結溫，TJ -- 150°C

儲存溫度 -- -65°C 至 +150°C

我們的充電器參數(shù)：

制作1S充電器：

如果您想為 1S 電池或單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池設計充電器，可以將 MCP73844 替換為 MCP73841 或 MCP73842。MCP73841 將具有完全相同的電路，而 MCP73842 將僅具有用于溫度測量的附加連接。其余電路將保持不變。

使用MT3608的升壓電路

如上所述，我們IC的工作電壓在8.7 V至12 V之間，因此，為了使該系統(tǒng)兼容5 V輸入，我們需要設計一個升壓電路?？紤]到這款充電器可以用于消費級產(chǎn)品，我們使用的IC是MT3608，采用6pin SOT23封裝，具有熱過載保護、欠壓保護和限流功能，效率高。下面給出基本應用電路和效率曲線。

MT3608技術數(shù)據(jù)：

IC的每個引腳的引腳圖和功能如下-

MT3608 的絕對最大額定值

IN、EN 電壓 -- -0.3V 至 26V

工作溫度 -- -40°C 至 +85°C

FB 電壓 -- -0.3V 至 6V

結溫——160°C

SW 電壓 -- -0.3V 至 30V

存儲溫度范圍 -- -65°C 至 150°C

峰值 SW 灌電流和拉電流 -- 4A

MT3608 IC 能夠接受低至 2V 的輸入電壓。對于我們的應用，我們有一個固定的 5V 輸入，我們要求的輸出應該低于 12V，因此我們將根據(jù)我們的要求設計電路。示意圖如下所示：

如何設置輸出電壓

我們 IC 的內(nèi)部基準電壓為 0.6V。輸出電壓可以通過改變電阻器 RV1 和 R2 的值來控制，電阻器 RV1 和 R2 由公式給出 -

如果你愿意，你可以用一個 50K 歐姆的固定電阻來代替電位器，這會給你一個 9.6V 的恒定輸出，這將適合我們的應用。

電感值應介于 4.7uH 至 22uH 之間。為了提高升壓電路的效率，電感器必須在 1.2mHz 頻率（MT3608 的工作頻率）下具有較低的磁芯損耗和較低的 DCR 值。輸入和輸出電容均應為 22uC，應優(yōu)先選擇 ESR 值較低的陶瓷電容。選擇二極管時，二極管的擊穿電壓值應大于輸出電壓，因此肖特基二極管是此應用的不錯選擇。此外，二極管的額定電流應滿足輸出電流乘以峰值電流的均方根，可寫為

對于我們的案例，我們將使用額定電流為 2 安培的肖特基二極管。

將組件放置在 PCB 中時的一些重要考慮因素

輸入和輸出電容應靠近 IC 放置。

主電流走線應保持短而寬（至少 20 mil）

公共接地層將有助于降低噪聲并用作散熱器。

設計該電路所需的元件有：

電容器

2 x 22uF

2×10uF

1 x 0.1uF

二極管

2 個肖特基二極管

1 個 LED

集成電路

1 個 MCP73844

1 個 MT3608

電感器

1 x 20uH

電阻器

1 個鍋

1×3.3

1 x 100 毫歐

1 x 1k

MOSFET

S19443BDA

設計和制造模塊

選擇所有組件后，我使用KiCad 的原理圖編輯器 Eschemia 繪制了原理圖。示意圖如下。如上所述，電路分為兩部分，升壓電路和充電器電路。

完成原理圖后，我將文件導出到 KiCad 的 PCB 編輯器。牢記所有設計約束。我放置了所有組件并為公共接地做了銅澆注，如下圖所示。

檢查PCB連接后，我打印了PCB并使用鐵盒將印刷品印在覆銅板上。覆銅板上的印記很好，然后我將 PCB 浸入氯化鐵溶液中，并根據(jù)需要在銅溶液上留下痕跡。

注意：使用 SMD 元件時，請始終記住拍攝 PCB 印刷品的鏡像，因為當您將印刷品從紙轉移到覆層時，您會得到鏡像印刷品。

檢查走線的連接性后，我焊接了板上的所有組件，之后剩下的就是測試設置。您可以從給定的鏈接下載Gerber 文件。

使用 5V 輸入測試電路

為了測試電路，我連接了 2 節(jié)標稱電壓為 3.7 V 和容量為 1200mAh 的鋰離子電池。兩個電池串聯(lián)時都充電至 7.55V。我連接了設置，充電燈開始發(fā)光。對于電源，我使用了 Apple 的 10W 充電器，并用 USB 轉 DC 桶形插孔電纜連接。電池在充滿電之前連接了大約 50 分鐘，并且 LED 指示燈自動關閉，指示充電完成。

當我們測量流向電池組的電流時，它最大約為 1A，大部分時間約為 100mA-500mA。在最大功率下，電池以大約 9W 的功率充電。

使用 12V 輸入進行測試

當我們用 12Volt 充電器為充電器模塊供電時，輸出電壓在 8-10V 左右，但輸出的電流高達 2.2Amp，功率超過 16W。使用此設置，電池在快速充電階段可能會稍微變熱，但這應該不是問題，也不會降低電池的使用壽命。

最終判決

這是一個非常簡單但有效的電路，可用于消費級產(chǎn)品。整個系統(tǒng)的尺寸可以有效地減小，但是因為我們試圖在內(nèi)部制造它，所以我們沒有將組件放置得很近。充電模塊具有非常高的效率并具有許多功能，例如對電池進行預處理，這是便宜的選項所不具備的，此功能以可控的方式補充過放電的電池，從而提高電池的使用壽命。這種高度可定制的設計可以真正提高電池組的整體效率和健康狀況。