鋰離子電池充電器擴(kuò)流電路設(shè)計(jì)

　　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。

　　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(jià)格低廉，整個(gè)充電器可以在產(chǎn)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(chǎn)品(如便攜式DVD、礦燈、攝像機(jī)、便攜式測量儀器、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。若按0.5C充電率來充3000mAh及5400mA時(shí)的電池時(shí)，其充電電池的容量要求為1500mA及2700mA。

　　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CN3056”)。這里僅作一簡介。

　　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、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)。

　　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(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。VIN一般取4.5～5V，10μF及6.8μF為輸入、輸出電容，保證充電器穩(wěn)定工作。

　　圖1 由CN3056構(gòu)成的充電電路

　　充電器擴(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?，F(xiàn)分別介紹其工作原理。

　　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(以Si9933DY為例)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(圖5中的時(shí)間坐標(biāo)并未按比例畫);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。

　　在圖2中，由R5、R6及R7、R8組成兩個(gè)電壓分壓器(檢測電池的電壓VBAT)，并分別將其檢測的電壓輸入比較器P1及比較器P2組成的窗口比較器。R3、R4分別為P1及P2的上拉電阻，D2、D3為隔離二極管。充電電池電壓VBAT與P1、P2的輸出及P-MOSFET的工作狀態(tài)如表1所示。

　　表1 充電電池電壓和P-MOSFET工作狀態(tài)

　　從圖2可看出：P-MOSFET的-VGS電壓是由R2、RP往D1提供的，則P-MOSFET在上電后應(yīng)是一直導(dǎo)通的。現(xiàn)要求在電池電壓(VBAT)小于3.0V及大于4.15V時(shí)P-MOSFET要關(guān)斷，則控制電路要在VBAT<3.0V及VBAT> 4.15V時(shí)，在P-MOSFET的柵極G上加上高電平，使其-VGS=0.7V，小于導(dǎo)通閾值電壓-VGS(th)，則P-MOSFET截止(關(guān)斷)?，F(xiàn)由P1、P2比較器及其他元器件組成窗口比較器實(shí)現(xiàn)了這一控制要求：無論是P1或P2輸出高電平時(shí)，VIN通過R4或R3及D3或D2加在P-MOSFET的柵極上，迫使柵極電壓為VIN=0.7V，則-VDS=0.7V而截止，滿足了控制的要求(見圖6)。圖中，D1、D2、D3是隔離二極管，是正確控制必不可少的。

　　圖6 窗口比較器電路

　　P-MOSFET的功耗及散熱

　　1 擴(kuò)流管P-MOSFET的功耗計(jì)算

　　P-MOSFET在擴(kuò)流時(shí)的功耗PD與輸出電壓VIN電池電壓VBAT、肖特基二極管的正向壓降VF及擴(kuò)流電流ID有關(guān)，其計(jì)算公式如下：

　　PD=VIN-(VBAT+VF)×ID (1)

　　其最大的功耗是在VIN(max)及VBAT(min)時(shí)，即在擴(kuò)流開始時(shí)(VBAT=3V)，則上式可寫成：

　　PDmax=VIN(max)-(3V+VF)×ID (2)

　　若VIN(max)=5.2V、在ID=1A時(shí)，VF=0.4V，則PDmax=1.8W。選擇的P-MOSFET的最大允許功耗應(yīng)大于計(jì)算出的最大功耗。

　　2 P-MOSFET的散熱

　　貼片式功率MOSFET采用印制板的敷銅層來散熱，即在設(shè)計(jì)印制板時(shí)要留出一定的散熱面積。例如，采用DPAK封裝的MTD2955E在計(jì)算出PDmax=1.75W時(shí)，需11mm2散熱面積;若PDmax=3W時(shí)，需26mm2散熱面積。若采用雙面敷銅板(在上下層做一些金屬化孔相互連接，利用空氣流通)，則其面積可減小。若散熱不好，功率MOSFET的溫度上升，ID的輸出會(huì)隨溫度增加而上升。所以足夠的散熱是要重視的，最好是實(shí)驗(yàn)確定其合適散熱面積，使ID穩(wěn)定。

　　這里還需要指出的是，不同封裝的P-MOSFET，在同樣的最大功耗時(shí)，其散熱面積是不同的。例如采用SO-8封裝的Si99XXDY系列P-MOSFET時(shí)，封裝尺寸小、背面無金屬散熱墊，其散熱面積要比用DPAK封裝大得多。具體的散熱面積由實(shí)驗(yàn)確定。

　　兩種功率MOSFET

　　這里介紹兩種P-MOSFET：Si9933DY及MTD2955E。

　　1 Si9933DY及MTD2955E的主要參數(shù)

　　Si9933DY及MTD2955E的主要參數(shù)見表2。

　　2引腳排列

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

　　圖7 Si9933DY引腳排列

　　圖8 MTD2955E引腳排列

　　3輸出特性

　　Si9933DY時(shí)可將兩MOSFET并聯(lián)應(yīng)用，使功率增加一倍，PDS(ON)減小一半。采用Si9933DY可擴(kuò)流1A。采用MTD2955E可擴(kuò)流2A或2A以上

　　圖9 Si9933DY輸出曲線

　　圖10 MTD2955E輸出曲線

　　結(jié)語

　　采用上述簡單的擴(kuò)流電路可增加充電電流到2～3A。但由于擴(kuò)流管工作于線性狀態(tài)，管耗大，效率60%～70%。若需要更大的充電電流還是用開關(guān)電源，它可獲得更高的效率。