鋰離子電池充電器擴(kuò)流電路設(shè)計(jì)

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(gè)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(zhǎng)等特點(diǎn)，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(duì)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(huì)造成電池?fù)p壞，這就要求較高的控制精度。另外，對(duì)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(shí)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(duì)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(chǎng)效應(yīng)管，可以對(duì)單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行安全有效的快充，其最大特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)預(yù)充電，具有過壓保護(hù)和溫度保護(hù)功能，最長(zhǎng)充電時(shí)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(shí)，插入電池將啟動(dòng)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(shí)間超出片上預(yù)置的充電時(shí)間。鋰離子電池充電器能夠自動(dòng)檢測(cè)充電電源，沒有電源時(shí)自動(dòng)關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動(dòng)快充后打開外接的P型場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)檢測(cè)到電池電壓達(dá)到設(shè)定的門限時(shí)進(jìn)入脈沖充電方式，P溝道場(chǎng)效應(yīng)管打開的時(shí)間會(huì)越來越短，充電結(jié)束時(shí)，LED指示燈將會(huì)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(cè)量?jī)x器、小型電動(dòng)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(shí)間太長(zhǎng)。
有人提出：能否在1A線性充電器電路中加一個(gè)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(cuò)、電路簡(jiǎn)單、成本不高，這是個(gè)好主意。筆者就按這一思路設(shè)計(jì)一個(gè)擴(kuò)流電路。這電路采用型號(hào)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(jiǎn)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(cè)、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(duì)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(shí)不需要外部的電流檢測(cè)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(cè)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(hào)輸出端：充電時(shí)此端為高電平，LED亮;充電結(jié)束時(shí)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

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(shí)，其輸出特性幾乎是一水平直線;在不同的VDS時(shí)，ID是恒流。從圖4也可以看出，在-VGS增加時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)間t5比不擴(kuò)流的時(shí)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(shí)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。