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锂离子电池充电器扩流电路设计,Lithium-Ion Battery Charger3
关键字：锂离子电池充电器扩流电路设计
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。
新型线性锂离子电池充电器功能齐全、性能良好、电路简单、占印制版面积小，价格低廉，整个充电器可以在产品中。若采用USB端口充电，使用十分方便。
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。若按0.5C充电率来充3000mAh及5400mA时的电池时，其充电电池的容量要求为1500mA及2700mA。
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充电器已在本刊2006年12期及2007年电源增刊上介绍过(“线性锂二次电池充电器芯片CN3056”)。这里仅作一简介。
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)。
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。VIN一般取4.5～5V，10μF及6.8μF为输入、输出电容，保证充电器稳定工作。
图1 由CN3056构成的充电电路
充电器扩流电路
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。现分别介绍其工作原理。
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(以Si9933DY为例)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(图5中的时间坐标并未按比例画);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。
在图2中，由R5、R6及R7、R8组成两个电压分压器(检测电池的电压VBAT)，并分别将其检测的电压输入比较器P1及比较器P2组成的窗口比较器。R3、R4分别为P1及P2的上拉电阻，D2、D3为隔离二极管。充电电池电压VBAT与P1、P2的输出及P-MOSFET的工作状态如表1所示。
表1 充电电池电压和P-MOSFET工作状态
从图2可看出：P-MOSFET的-VGS电压是由R2、RP往D1提供的，则P-MOSFET在上电后应是一直导通的。现要求在电池电压(VBAT)小于3.0V及大于4.15V时P-MOSF ET要关断，则控制电路要在VBAT<3.0V及VBAT> 4.15V时，在P-MOSFET的栅极G上加上高电平，使其-VGS=0.7V，小于导通阈值电压-VGS(th)，则P-MOSFET截止(关断)。现由P1、P2比较器及其他元器件组成窗口比较器实现了这一控制要求：无论是P1或P2输出高电平时，VIN通过R4或R3及D3或D2加在P-MOSFET的栅极上，迫使栅极电压为VIN=0.7V，则-VDS=0.7V而截止，满足了控制的要求(见图6)。图中，D1、D2、D3是隔离二极管，是正确控制必不可少的。
图6 窗口比较器电路
P-MOSFET的功耗及散热
1 扩流管P-MOSFET的功耗计算
P-MOSFET在扩流时的功耗PD与输出电压VIN电池电压VBAT、肖特基二极管的正向压降VF及扩流电流ID有关，其计算公式如下：
PD=VIN-(VBAT+VF)×ID (1)
其最大的功耗是在VIN(max)及VBAT(min)时，即在扩流开始时(VBAT=3V)，则上式可写成：
PDmax=VIN(max)-(3V+VF)×ID (2)
若VIN(max)=5.2V、在ID=1A时，VF=0.4V，则PDmax=1.8W。选择的P-MOSFET的最大允许功耗应大于计算出的最大功耗。
2 P-MOSFET的散热
贴片式功率MOSFET采用印制板的敷铜层来散热，即在设计印制板时要留出一定的散热面积。例如，采用DPAK封装的MTD2955E在计算出PDmax=1.75W时，需11mm2散热面积;若PDmax=3W时，需26mm2散热面积。若采用双面敷铜板(在上下层做一些金属化孔相互连接，利用空气流通)，则其面积可减小。若散热不好，功率MOSFET的温度上升，ID的输出会随温度增加而上升。所以足够的散热是要重视的，最好是实验确定其合适散热面积，使ID稳定。
这里还需要指出的是，不同封装的P-MOSFET，在同样的最大功耗时，其散热面积是不同的。例如采用SO-8封装的Si99XXDY系列P-MOSFET时，封装尺寸小、背面无金属散热垫，其散热面积要比用DPAK封装大得多。具体的散热面积由实验确定。
两种功率MOSFET
这里介绍两种P-MOSFET：Si9933DY及MTD2955E。
1 Si9933DY及MTD2955E的主要参数
Si9933DY及MTD2955E的主要参数见表2。
2引脚排列
Si9933DY引脚排列如图7所示，MTD2955E引脚排列如图8所示。
图7 Si9933DY引脚排列
图8 MTD2955E引脚排列
3输出特性
Si9933DY时可将两MOSFET并联应用，使功率增加一倍，PDS(ON)减小一半。采用Si9933DY可扩流1A。采用MTD2955E可扩流2A或2A以上。
图9 Si9933DY输出曲线
图10 MTD2955E输出曲线
结语
采用上述简单的扩流电路可增加充电电流到2～3A。但由于扩流管工作于线性状态，管耗大，效率60%～70%。若需要更大的充电电流还是用开关电源，它可获得更高的效率。
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