锂离子电池充电器扩流电路设计应用

电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。   第一代电子产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。

　　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。锂离子电池的不足之处在于对充电器要求比较苛刻，需要保护电路。锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。因此，安全有效的锂离子电池充电器对于锂离子电池来说就是必须而且是必要的。

　　锂电池充电器外接限流型充电电源和P沟道场效应管，可以对单节锂离子电池进行安全有效的快充，其最大特点是在不使用电感的情况下仍能做到很低的功率耗散，采用8脚μMAX封装。充电控制精度达0.75%,可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时间限制为锂离子电池提供二次保护，锂离子电池充电器的浮充方式能够使电池容量充至最大。当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电过程；充电结束的条件是平均的脉冲充电电流达到快充电流的1%,或时间超出片上预置的充电时间。锂离子电池充电器能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后打开外接的P型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P沟道场效应管打开的时间会越来越短，充电结束时，LED指示灯将会按12%的周期闪烁。

　　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。

　　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）。CN3056是可以对单节锂离子或者锂-聚合物电池进行恒流/恒压充电的充电器电路。该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管

　　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。

 

　　图1由CN3056构成的充电电路

　　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。

 

　　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。

 

　　图3括流部分电路

 

　　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。

 

　　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；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。