磷酸鐵鋰電池充電器CN3059的原理應(yīng)用

磷酸鐵鋰電池是一種用磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料作電池正極、用石墨作電池負(fù)極的新型鋰離子電池。關(guān)于該電池的詳細(xì)介紹請(qǐng)參看本刊9期磷酸鐵鋰動(dòng)力電池一文。
磷酸鐵鋰電池的標(biāo)稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6±0.05V、終止放電電壓是2.0V。該電池與鋰 離子電池一樣要求恒流、恒壓充電，充電率范圍是0.2～1C。
　　上海如韻電子有限公司在自主開發(fā)出單節(jié)鋰電子充電器芯片CN3052及CN3056后，2007年又開發(fā)出性能更好的單節(jié)磷酸鐵鋰充電器芯片CN3058及CN3059，滿足了市場(chǎng)的需求。本文將介紹CN3059。
　　特點(diǎn)與應(yīng)用
　　CN3059是一種對(duì)單節(jié)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行恒流、恒壓充電的充電器IC。用該IC組成的充電器主要特點(diǎn)：充電電流可由一外設(shè)電阻RISET設(shè)定，最大充電電流可達(dá)1A；輸入電壓4～6V，可采用USB接口或4.5～6V輸出電壓（輸出電流1000～1500mA）的AC/DC適配器供電；充電器電路簡(jiǎn)單、外圍元器件少、成本低；對(duì)過放電（電池電壓＜2.0V）的電池有小電流預(yù)充電模式；內(nèi)部有功率器理電路，若芯片的結(jié)溫超過115℃時(shí)能自動(dòng)降低充電電流作過熱保護(hù)，使用戶可設(shè)置較大的充電電流，以提高充電效率；有兩個(gè)LED分別作充電狀態(tài)指示及充電結(jié)束指示；有輸入電壓過低（＜3.61V）時(shí)的輸出鎖存功能、自動(dòng)再充電功能、電池溫度監(jiān)測(cè)功能；采用小尺寸、散熱增強(qiáng)性的10引腳DFN封裝；充電溫度范圍0～45℃或0～65℃(由充電電池參數(shù)決定)。
　　CN3059是磷酸鐵鋰電池的專用充電器IC，但它還有一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)：外設(shè)一個(gè)電阻RVSET，它可以增加恒壓充電的輸出電壓。利用這個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)，可以組成簡(jiǎn)易的3節(jié)鎳氫電池充電器及4V鉛酸電池充電器或鋰離子電池充電器。
　　由CN3059組成的充電器適合充 0.5～4Ah的磷酸鐵鋰電池。其應(yīng)用領(lǐng)域：礦燈、LED應(yīng)急燈、警示燈；車模、船模、航模及電動(dòng)玩具；在照相機(jī)中，用3.2V磷酸鐵鋰電池替代一次性3V鋰電池（型號(hào)為CR123A），其外廓尺寸相同；通信裝置；小型醫(yī)療儀器及野外測(cè)試儀器；小型電動(dòng)工具等。另外，可采用CN3059組成充3節(jié)鎳氫電池及4V鉛酸電池的充電器等。
封裝、引腳排列及功能
　　CN3059采用散熱增強(qiáng)型10引腳小尺寸DFN封裝，其引腳排列如圖1所示，各引腳功能如表1所示。

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圖1 CN3059引腳圖

主要參數(shù)
　　CN3059的極限參數(shù)：各引腳的電壓范圍為-0.3～6.5V；BAT引腳與GND短路時(shí)間可連續(xù)；靜電擊穿電壓為2kV；最高結(jié)溫為150℃；焊接溫度為300℃（10s）。
　　CN3059的電氣參數(shù)：電源輸入電壓范圍為4～6V；靜態(tài)電流典型值為650μA；低壓鎖存電壓為VIN≤3.61V；預(yù)存電閾值電壓是電池電壓小于2.05V；恒壓充電電壓3.6V；充電結(jié)束閾值電壓（ISET端電壓）為0.22V；睡眠模式閾值電壓為VIN－VBAT≤20mV；睡眠模式解除閾值電壓為VIN－VBAT≥50mV；TEMP端高溫閾值電壓為80%VIN，低溫閾值電壓為48% VIN。
典型應(yīng)用電路
　　采用CN3059組成磷酸鐵鋰電池充電器電路與由CN3056組成的鋰離子充電器電路相比，前者有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：①精確檢測(cè)充電電池的電壓，充電電池的終止充電電壓控制得更精確，使電池充的更滿；②采用在FB端與電池正極之間加接一個(gè)電阻RVSET，使充電器除能充磷酸鐵鋰電池外，也可簡(jiǎn)單地組成充鉛酸電池及鎳氫電池，擴(kuò)展了充電器功能。下面分別介紹這2種典型應(yīng)用電路。
1充磷酸鐵鋰電池電路
　充電電池型號(hào)為26650，容量為2800mAH，采用1000mA恒流電充電（其充電率約0.36C），充電器電路如圖2所示。

圖2 磷酸鐵鋰電池充電電路
　　充電器采用輸出直流電壓5V、輸出電流1500mA的AC/DC適配器作電源。用紅色LED作充電狀態(tài)指示燈，用綠色LED作充電結(jié)束指示燈。設(shè)定恒流充電電流ICH=1000mA，則RISET為：
RISET=1800V/1A=1.8kΩ （1）
　　CIN(10μF)及COUT(10μF)是為保證充電器工作穩(wěn)定的輸入及輸出電容，可采用多層陶瓷電容器（MLCC）。
　　這里重點(diǎn)介紹精確電池電壓檢測(cè)電路。圖3是一般電池電壓檢測(cè)電路，圖4是精確電池電壓檢測(cè)電路。圖3中，BAT端外接充電電池，內(nèi)接由R1、R2組成的電阻分壓器，其中間點(diǎn)為輸入誤差放大器，根據(jù)充電電池的實(shí)際電壓來對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電、恒流充電及恒壓充電。若在恒流充電時(shí)的充電電流為ICH、BAT端的電壓為VBAT，電池的電壓為V’BAT。若BAT端到電池正極之間的金屬連接線的電阻為△R，則ICH電流從BAT端到電池正極間的電壓降VDROP =ICH×△R，則VBAT=ICH×△R+V’BAT (V’BAT＜VBAT）。充電電流越大，則VBAT與V’BAT的差值越大。輸入到誤差放大器的電壓是VBAT的分壓而不是V’BAT的分壓，因此產(chǎn)生電池實(shí)際電壓的檢測(cè)誤差。