基于CN3705和LM2596的锂电池充放电系统

　　目前，消费电子产品越来越多，如智能手机、平板电脑、PSP 游戏机等电子产品，给人们的生活工作娱乐都提供了极大的方便。然而，这些电子产品都有一个共性的缺点就是自身锂电池的容量有限，经常因为没电了，导致我们的电子产品无法使用。为了解决给电子产品续航问题，设计了这款集锂电池充电和放电一体的电路。如图 1 所示。系统分为三个部分，CN3705 锂电池充电电路，12V 锂电池，LM2596 锂电池放电电路。

　　1 基于CN3705的锂电池充电电路

　　1.1 CN3705芯片简介

　　CN3705 为降压模式锂电池充电芯片，具有恒流恒压充电方式。对于深度放电的电池，当电池电压低于设定的恒压充电电压的66.7%时，CN3705采用恒流充电电流的15% 对锂电池涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到外部电阻设定的值时，充电结束。芯片输入电压在12V 到28V之间，最大工作频率为300kHz，输出最大电流为 5。

　　1.2 基于CN3705的设计电路

　　图2为 CN3705 构成的锂电池充电电路，电路结构为 buck 降压拓扑结构。输入电压在 14V 到 28V 之间，电路 PWM 开关频率为300kHz，最大输出电流为 1.2A，最大输出电压为 12.6V。适合给 3 节串联 3.7V 标准锂电池充电。

　　图2中，P 沟 道 MOS 管 Q1、肖特基D2、电感 L1 以及电解电容 C1 构成经典的buck 降压充电电路。Q1 的选择要综合考虑转换效率、MOS 管的功耗和最高温度。还要考虑的因素包括导通电阻 Rds（on），栅极总电荷Qg，输入电压和最大充电电流。MOS 管损耗功率计算公式如下所示：

　　1.3 电感的选着和计算

　　在正常工作时，瞬态电感电流是周期性变化的。在 MOS 管导通期间，输入电压对电感充电，电感电流增加；在 MOS 管关断期间，电感向电池放电，电感电流减小。电感的纹波电流随着电感值的减小而增大，随着输入电压的增大而增大。有如下经验公式：

　　1.4 工作方式

　　1.4.1 恒压充电

　　如图2所示，电池端的电压通过电阻R2和R4构成的电阻分压网络反馈到FB管脚，CN3705根据FB管脚的电压决定充电状态。当FB管脚的电压接近2.416V 时，充电器进入恒压充电状态。在恒压充电状态，充电电流逐渐下降，电池电压保持不变。恒压充电状态电池端对应的的电压为：

　　其中，Ib是FB管脚的偏置电流，其典型值为50nA。由于电阻R2和 R4 会从电池消耗一定的电流，在选取R2和R4的电阻值时，应首先根据所允许的消耗的电流选取R2 R4的值，然后再根据上式分别计算R2和R4的值。这里 R2和R4分别取值为510KΩ 和 120kΩ，得充电电压为 Vbat=12.71V

　　1.4.2 恒流充电

　　1.4.3 涓流充电

　　在充电状态，如果电池电压低于所设置的恒压充电电压的 66.7%，即电池电压为 8.47V，充电器进入涓流充电模式，此时充电电流为所设置的恒流充电电流的 15%，即电流为 0.15A。

　　1.4.4 充电结束

　　在恒压充电模式，充电电流逐渐减小当充电电流减小到 EOC 管脚的电阻所设置的电流时，充电结束。充电结束电流由下式决定：

　　R5为是从 EOC 管脚到地之间连接的电阻，单位为欧姆。设定充电结束电流为0.1A时，计算出 R5=1.3kΩ。

　　1.4.5 自动再充电

　　充电结束以后，如果输入电源和电池仍然连接在充电器上，由于电池自放电或者负载的原因，电池电压逐渐下降，当电池电压降低到所设置的恒压充电电压的 91.1% 时（即电压为11.58V），将开始新的充电周期，这样可以保证电池的饱满度在 80% 以上。

　　1.4.6 温度监控

　　为了监测电池的温度，采用负热敏电阻NTC（如图 2 电路所示）紧贴电池。当电池的温度超出可以接受的范围时，充电将被暂时停止，直到电池温度回复到正常范围内。

　　锂电池的充电工作温度在0到45间，这里选取的负热敏电阻，满足在25 时应该为10kΩ，在上限温度点时其电阻值应该大约为 3.5kΩ（ 约对应 50 ）；在下限温度点时其电阻值应该大约为 32kΩ（ 约对应 0 ）

　　2 LM2596输出电路

　　2.1 LM2596简介

　　LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz。此芯片还具有在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在 ±4% 的范围内，振荡频率误差在 ±15%的范围内；可以用仅 80μA 的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级 降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）。

　　2.2 输出电路部分

　　LM2576有多种型号，这里选择固定输出5V的LM2596芯片。此电路构成非常简单，如电路图3。只需要输入电容C10、C11，肖特基二极管D3，电感 L2，输出电容C12、C13 即可。

　　输入滤波电容，输入耐压和电流均方根是输入电容的重要参数。当 LM2596 输入电压为 12V 时，铝电解电容的耐压压大于 18V（1.5×Vin）。输入电容电流的均方根为输出负载电流的一半，为 1.5A。根据图 4 所示，在曲线中，680μF/35V 的电解电容满足要求。

　　输出滤波电容一般选择耐压值为 10V 的电解电容既可以，为了得到输出较小的纹波，输出电容尽量选择大点。这里选择电容值为220uH 的电解电容，输出纹波即可在 1% 之内。

　　图 4： 电解电容耐压值，电流均方根，电容值关系

　　肖特基二极管 D3 这里选择 5A/20V 的IN5823 既可以产生较好的效果。而且短路时也不会产生过载。

　　3 小结

　　经过测试此电路系统可以正常稳定工作，CN3705 锂电池充电电路工作效率可以达到91.0%；LM2596 放电电路工作效率，当输出1.0A 电流时工作效率可达 84%，输出电路 2.1A时 ， 电路工作效率可达 82.3%，当输出 3.0A 电路时电路工作效率为 79%。且输出电压纹波均小于 2%。