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(多图) 锂离子电池充电器扩流电路设计

来源:电子产品世界?? 2008年03月21日 ?? 收藏0

  小型便携式电子产品采用的锂离子电池或锂聚合物电池的容量较小,大部分在400~1000mAh范围内,与之配套的充电器的最大充电电流为450~1000mAh。由于电流不大,一般采用线性充电器。

  新型线性锂离子电池充电器功能齐全、性能良好、电路简单、占印制版面积小,价格低廉,整个充电器可以在产品中。若采用USB端口充电,使用十分方便。

  近年来,一些用电量稍大的便携式电子产品(如便携式DVD、矿灯、摄像机、便携式测量仪器、小型电动工具等)往往采用1500mAh到5400mAh容量的锂离子电池。若采用500~1000mA充电电流充电器充电,则充电时间太长。若按0.5C充电率来充3000mAh及5400mA时的电池时,其充电电池的容量要求为1500mA及2700mA。

  有人提出:能否在1A线性充电器电路中加一个扩流电路,使充电电流扩大到2~2.5A,解决3000~5400mAh容量锂离子电池的充电问题。如果扩流的充电器性能不错、电路简单、成本不高,这是个好主意。笔者就按这一思路设计一个扩流电路。这电路采用型号为CN3056的1A线性充电器为基础,另外加上扩流电路及控制电路组成。

  CN3056简介

  CN3056充电器已在本刊2006年12期及2007年电源增刊上介绍过(“线性锂二次电池充电器芯片CN3056”)。这里仅作一简介。

  CN3056组成的充电器按恒流、恒压模式充电,若充电电池电压<3V,则有小电流预充电模式;充电电流可设定,最大充电电流为1A;精电密度4.2V ±1%、有热调节、欠压锁存及电池温度检测、超温保护及充电状态和温度超差指示功能;10引脚小尺寸DFN封装(3mm×3mm)。

  若充电率在0.5~1C之间、电池的温度在0~45℃之间(室温充电),则CN3056充电器电路中可省去电池温度检测电路及电池超温指示电路(引脚TEMP及FAULT端接地),电路如图1所示。VIN是电源输入端、CE是使能端,(高电平有效);RISET为充电电流ICH设定电阻,RISET(Ω)=1800(V)/ICH(A);CHRG为充电状态信号输出端:充电时此端为高电平,LED亮;充电结束时此端为高阻抗,LED灭;电池未装入或接触不良,LED闪亮。VIN一般取4.5~5V,10μF及6.8μF为输入、输出电容,保证充电器稳定工作。

由CN3056构成的充电电路

  图1 由CN3056构成的充电电路

  充电器扩流电路

  充电器扩流电路是在原充电器电路上加上扩流电路组成的。扩流电路由两部分组成:扩流部分及控制部分。采用CN3056充电器为基础,加上扩流部分及控制部分电路如图2所示。现分别介绍其工作原理。

充电器电路

  图2充电器电路

  1 扩流部分电路

  扩流部分电路如图3所示。它由P沟道功率MOSFET(VT)、R及RP组成的分压器、肖特基二极管D4组成。利用分压器调节P-MOSFET的-VGS大小,使获得所需扩流电流ID。P-MOSFET的输出特性(以Si9933DY为例)如图4所示。在-VGS=2.1V、VDS>0.5V时,其输出特性几乎是一水平直线;在不同的VDS时,ID是恒流。从图4也可以看出,在 -VGS增加时,ID也相应增加。

括流部分电路

  图3 括流部分电路

P-MOSFET输出特性

  图4 P-MOSFET输出特性

  2 控制部分电路

  控制部分电路的目的是要保持原有的三阶段充电模式,在预充电阶段及恒压充电阶段不扩流,扩流仅在恒流阶段,如图5所示。

括流电路的电流表现

  图5 括流电路的电流表现

  原充电器以1A电流充电,若扩流电流为1A,则在恒流充电阶段时充电电流为2A。图5中红线为充电电池电压特性、黑线为充电电流特性,实线为加扩流特性,虚线为未加扩流特性。从图5可看出:扩流的充电时间t5比不扩流的时间要短(图5中的时间坐标并未按比例画);并且也可以看出:扩流仅在恒流充电阶段进行。

  为保证扩流在电池电压3.0V开始,在电池电压4.15V时结束,控制电路设置了窗口比较器,在电池电压(VBAT)为3.0~4.15V之间控制P-MOSFET导通。在此窗口电压外,P-MOSFET截止。


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