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鋰離子電池充電器擴流電路

   小型便攜式電子產品采用的鋰離子電池鋰聚合物電池的容量較小,大部分在400~1000mAh范圍內,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。

    新型線性鋰離子電池充電器功能齊全、性能良好、電路簡單、占印制版面積小,價格低廉,整個充電器可以在產品中。若采用USB端口充電,使用十分方便。

    近年來,一些用電量稍大的便攜式電子產品(如便攜式DVD、礦燈、攝像機、便攜式測量儀器、小型電動工具等)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,則充電時間太長。若按0.5C充電率來充3000mAh及5400mA時的電池時,其充電電池的容量要求為(wei)1500mA及2700mA。

    有人提出:能否在1A線性充電器電路中加一個擴流電路,使充電電流擴大到2~2.5A,解決3000~5400mAh容量鋰離子電池的充電問題。如果擴流的充電器性能不錯、電路簡單、成本不高,這是個好主意。筆者就按這一思路設計一個擴流電路。這電路采用型號為CN3056的1A線性充電器為基礎,另外加上(shang)擴流電路及控制電路組成(cheng)。

    CN3056簡介

    CN3056充電器已在本刊2006年12期及2007年電源增刊上介紹過(“線性鋰二次電池充電器芯片(pian)CN3056”)。這里(li)僅作一簡介。

    CN3056組成的充電器按恒流、恒壓模式充電,若充電電池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓<3V,則(ze)有小(xiao)電(dian)(dian)(dian)(dian)流預充電(dian)(dian)(dian)(dian)模式;充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流可設(she)定(ding),最大充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流為1A;精電(dian)(dian)(dian)(dian)密(mi)度(du)4.2V±1%、有熱調節、欠壓鎖(suo)存(cun)及(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)池溫度(du)檢測、超(chao)溫保護及(ji)充電(dian)(dian)(dian)(dian)狀態和(he)溫度(du)超(chao)差指示功能(neng);10引腳(jiao)小(xiao)尺(chi)寸DFN封(feng)裝(zhuang)(3mm×3mm)。

    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設定電阻,RISET(Ω)=1800(V)/ICH(A);CHRG為充電狀態信號輸出端:充電時此端為高電平,LED亮;充電結束時此端為高阻抗,LED滅;電池未裝入或接觸不良,LED閃亮。VIN一般取4.5~5V,10μF及6.8μF為輸入、輸出電容,保證充電器穩定工作。

    圖1由CN3056構(gou)成的充電電路

    充電器擴流電路

    充電器擴流電路是在原充電器電路上加上擴流電路組成的。擴流電路由兩部分組成:擴流部分及控制部分。采用CN3056充電器為基(ji)礎,加(jia)上擴(kuo)流部分(fen)(fen)及控制部分(fen)(fen)電(dian)路如圖2所示。現分(fen)(fen)別(bie)介紹(shao)其工作(zuo)原理。

    圖2充電器(qi)電路(lu)

    1擴流(liu)部分電(dian)路

    擴流部分(fen)電路如圖(tu)3所(suo)(suo)示。它(ta)由P溝道功(gong)率MOSFET(VT)、R及RP組(zu)成的(de)(de)分(fen)壓器(qi)、肖(xiao)特(te)基二極管(guan)D4組(zu)成。利用(yong)分(fen)壓器(qi)調節P-MOSFET的(de)(de)-VGS大小(xiao),使獲得所(suo)(suo)需(xu)擴流電流ID。P-MOSFET的(de)(de)輸(shu)出特(te)性(xing)(以Si9933DY為例)如圖(tu)4所(suo)(suo)示。在(zai)-VGS=2.1V、VDS>0.5V時,其(qi)輸(shu)出特(te)性(xing)幾(ji)乎(hu)是一(yi)水(shui)平直線;在(zai)不同的(de)(de)VDS時,ID是恒流。從圖(tu)4也(ye)可以看出,在(zai)-VGS增加時,ID也(ye)相應增加。

   

    圖3括流部(bu)分(fen)電(dian)路

    圖4P-MOSFET輸出特性

    2控制部分電路(lu)

    控制部分電路(lu)的(de)目的(de)是要(yao)保持原(yuan)有的(de)三階(jie)段(duan)充電模式,在預充電階(jie)段(duan)及恒(heng)壓充電階(jie)段(duan)不(bu)擴(kuo)流,擴(kuo)流僅(jin)在恒(heng)流階(jie)段(duan),如圖5所示。

    圖5括流電(dian)路的(de)電(dian)流表現

    原充電器以1A電流充電,若擴流電流為1A,則在恒流充電階段時充電電流為2A。圖5中紅線為充電電池電壓特性、黑線為充電電流特性,實線為加擴流特性,虛線為未加擴流特性。從圖5可看出:擴流的充電時間t5比(bi)不擴(kuo)流(liu)的時間(jian)要短(圖5中的時間(jian)坐(zuo)標并未(wei)按比(bi)例畫(hua));并且也可以看出:擴(kuo)流(liu)僅在恒流(liu)充電(dian)階(jie)段進行(xing)。

    為保證(zheng)擴流在(zai)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)3.0V開(kai)始(shi),在(zai)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)4.15V時(shi)結(jie)束,控制(zhi)電(dian)(dian)路設置了窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)比較(jiao)器,在(zai)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)(VBAT)為3.0~4.15V之間控制(zhi)P-MOSFET導通。在(zai)此(ci)窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)電(dian)(dian)壓(ya)外,P-MOSFET截止。

    在圖2中,由R5、R6及(ji)R7、R8組(zu)成(cheng)兩個電壓(ya)分(fen)壓(ya)器(檢(jian)測電池的(de)(de)電壓(ya)VBAT),并分(fen)別將(jiang)其檢(jian)測的(de)(de)電壓(ya)輸入(ru)比較(jiao)器P1及(ji)比較(jiao)器P2組(zu)成(cheng)的(de)(de)窗口比較(jiao)器。R3、R4分(fen)別為(wei)P1及(ji)P2的(de)(de)上拉(la)電阻,D2、D3為(wei)隔(ge)離二極管。充(chong)電電池電壓(ya)VBAT與P1、P2的(de)(de)輸出及(ji)P-MOSFET的(de)(de)工作狀態如表1所示(shi)。

    表1充(chong)電(dian)電(dian)池電(dian)壓和(he)P-MOSFET工作狀態

    從圖2可看出(chu):P-MOSFET的(de)-VGS電(dian)(dian)(dian)壓是(shi)由(you)R2、RP往D1提(ti)供的(de),則(ze)P-MOSFET在上(shang)電(dian)(dian)(dian)后應(ying)是(shi)一(yi)直導通的(de)。現要(yao)(yao)(yao)求在電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(VBAT)小于3.0V及(ji)大于4.15V時(shi)P-MOSFET要(yao)(yao)(yao)關斷,則(ze)控(kong)制(zhi)電(dian)(dian)(dian)路要(yao)(yao)(yao)在VBAT<3.0V及(ji)VBAT>4.15V時(shi),在P-MOSFET的(de)柵(zha)(zha)極G上(shang)加上(shang)高(gao)電(dian)(dian)(dian)平,使(shi)(shi)其(qi)-VGS=0.7V,小于導通閾值電(dian)(dian)(dian)壓-VGS(th),則(ze)P-MOSFET截(jie)止(關斷)。現由(you)P1、P2比較器及(ji)其(qi)他元器件組成窗口比較器實(shi)現了(le)這(zhe)一(yi)控(kong)制(zhi)要(yao)(yao)(yao)求:無論是(shi)P1或(huo)P2輸出(chu)高(gao)電(dian)(dian)(dian)平時(shi),VIN通過R4或(huo)R3及(ji)D3或(huo)D2加在P-MOSFET的(de)柵(zha)(zha)極上(shang),迫使(shi)(shi)柵(zha)(zha)極電(dian)(dian)(dian)壓為VIN=0.7V,則(ze)-VDS=0.7V而(er)截(jie)止,滿(man)足了(le)控(kong)制(zhi)的(de)要(yao)(yao)(yao)求(見圖6)。圖中,D1、D2、D3是(shi)隔離二極管,是(shi)正確控(kong)制(zhi)必(bi)不(bu)可少的(de)。

    圖6窗口(kou)比較器(qi)電路

    P-MOSFET的功耗(hao)及散熱

    1擴流管P-MOSFET的功耗計(ji)算

    P-MOSFET在擴流時的功(gong)耗PD與輸出電壓VIN電池電壓VBAT、肖特(te)基二極管(guan)的正向壓降VF及(ji)擴流電流ID有關(guan),其計(ji)算公式(shi)如下:

 PD=VIN-(VBAT+VF)×ID(1)

    其最大的功耗是(shi)在VIN(max)及VBAT(min)時,即在擴流開(kai)始時(VBAT=3V),則(ze)上式可寫成(cheng):

    PDmax=VIN(max)-(3V+VF)×ID(2)

    若VIN(max)=5.2V、在(zai)ID=1A時,VF=0.4V,則(ze)PDmax=1.8W。選擇的(de)P-MOSFET的(de)最大(da)(da)允許(xu)功(gong)(gong)耗應(ying)大(da)(da)于計算出的(de)最大(da)(da)功(gong)(gong)耗。

    2P-MOSFET的(de)散熱

    貼片式(shi)功率MOSFET采(cai)用印制板(ban)的敷(fu)銅(tong)層來散熱(re)(re)(re),即在設計印制板(ban)時要(yao)留出一(yi)定的散熱(re)(re)(re)面(mian)積(ji)(ji)。例如,采(cai)用DPAK封裝的MTD2955E在計算出PDmax=1.75W時,需(xu)11mm2散熱(re)(re)(re)面(mian)積(ji)(ji);若(ruo)PDmax=3W時,需(xu)26mm2散熱(re)(re)(re)面(mian)積(ji)(ji)。若(ruo)采(cai)用雙面(mian)敷(fu)銅(tong)板(ban)(在上(shang)(shang)下層做一(yi)些(xie)金屬化孔(kong)相(xiang)互連(lian)接(jie),利用空氣流通),則其(qi)面(mian)積(ji)(ji)可減小。若(ruo)散熱(re)(re)(re)不好,功率MOSFET的溫(wen)度上(shang)(shang)升,ID的輸出會隨(sui)溫(wen)度增加(jia)而(er)上(shang)(shang)升。所以足夠的散熱(re)(re)(re)是要(yao)重視的,最好是實(shi)驗(yan)確定其(qi)合適散熱(re)(re)(re)面(mian)積(ji)(ji),使ID穩(wen)定。

    這里還需要指出的是,不同(tong)封(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)的P-MOSFET,在同(tong)樣的最大(da)功耗時,其(qi)散熱(re)(re)面(mian)積是不同(tong)的。例如采用(yong)SO-8封(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)的Si99XXDY系(xi)列P-MOSFET時,封(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)尺寸(cun)小(xiao)、背面(mian)無金屬(shu)散熱(re)(re)墊,其(qi)散熱(re)(re)面(mian)積要比用(yong)DPAK封(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)大(da)得多(duo)。具體的散熱(re)(re)面(mian)積由實驗確(que)定。

    兩種(zhong)功率MOSFET

    這里介紹兩種P-MOSFET:Si9933DY及(ji)MTD2955E。

    1Si9933DY及(ji)MTD2955E的主要(yao)參數

    Si9933DY及MTD2955E的主要參(can)數(shu)見表2。

    2引腳(jiao)排(pai)列(lie)

    Si9933DY引腳排列如圖7所示(shi),MTD2955E引腳排列如圖8所示(shi)。

    圖7Si9933DY引(yin)腳排(pai)列

    圖8MTD2955E引腳(jiao)排列

    3輸出(chu)特(te)性(xing)

    Si9933DY時可將兩(liang)MOSFET并(bing)聯應用(yong)(yong),使功率增加一(yi)倍,PDS(ON)減(jian)小一(yi)半(ban)。采用(yong)(yong)Si9933DY可擴流1A。采用(yong)(yong)MTD2955E可擴流2A或(huo)2A以上。

    圖9Si9933DY輸出曲線

    圖10MTD2955E輸出(chu)曲線

       采用(yong)上述簡單的(de)擴流電(dian)路可增加(jia)充電(dian)電(dian)流到(dao)2~3A。但由于擴流管工作于線性狀態(tai),管耗大,效(xiao)(xiao)率60%~70%。若(ruo)需要更大的(de)充電(dian)電(dian)流還是用(yong)開關電(dian)源,它(ta)可獲(huo)得更高的(de)效(xiao)(xiao)率。

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