鋰離子電池充電器擴流電路
小型便攜式電子產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，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，價格低廉，整個充電器可以在產品中。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品(如便攜式DVD、礦燈、攝像機、便攜式測量儀器、小型電動工具等)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，則充電時間太長。若按0.5C充電率來充3000mAh及5400mA時的電池時，其充(chong)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擴流電路，使充電電流擴大到2～2.5A，解決3000～5400mAh容量鋰離子電池的充電問題。如果擴流的充電器性能不錯、電路簡單、成本不高，這是個好主意。筆者就按這一思路設計一個擴流電路。這電路采用型號為CN3056的1A線性充電器為基礎，另外加上擴流電(dian)(dian)路(lu)及控制電(dian)(dian)路(lu)組成。
CN3056簡介
CN3056充電器已在本刊2006年12期及2007年電(dian)源(yuan)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(dian)(dian)(dian)壓<3V，則(ze)有小(xiao)電(dian)(dian)(dian)流預(yu)充電(dian)(dian)(dian)模(mo)式;充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流可設定，最大充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流為(wei)1A;精電(dian)(dian)(dian)密度4.2V±1%、有熱(re)調節、欠壓鎖存及(ji)電(dian)(dian)(dian)池溫(wen)度檢測、超(chao)溫(wen)保護及(ji)充電(dian)(dian)(dian)狀態和溫(wen)度超(chao)差(cha)指示功能;10引腳小(xiao)尺寸DFN封裝(zhuang)(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設定電阻，RISET(Ω)=1800(V)/ICH(A);CHRG為充電狀態信號輸出端：充電時此端為高電平，LED亮;充電結束時此端為高阻抗，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，保證充電器穩定工作。
圖1由CN3056構成的充電電路
充電器擴流電路
充電器擴流電路是在原充電器電路上加上擴流電路組成的。擴流電路由兩部分組成：擴流部分及控制部分。采用CN3056充電器為(wei)基礎，加上擴流部(bu)分及(ji)控制部(bu)分電路如圖2所示(shi)。現分別介紹其工作(zuo)原理。
圖2充電器電路
1擴流部分(fen)電路
擴流部(bu)分(fen)電路如圖(tu)3所(suo)示。它(ta)由P溝道功率MOSFET(VT)、R及RP組(zu)成(cheng)的分(fen)壓(ya)器、肖特(te)基二極管D4組(zu)成(cheng)。利用(yong)分(fen)壓(ya)器調節P-MOSFET的-VGS大小，使(shi)獲得所(suo)需擴流電流ID。P-MOSFET的輸(shu)出特(te)性(以Si9933DY為(wei)例(li))如圖(tu)4所(suo)示。在-VGS=2.1V、VDS>0.5V時，其輸(shu)出特(te)性幾乎是一水平直(zhi)線;在不同(tong)的VDS時，ID是恒流。從圖(tu)4也可以看(kan)出，在-VGS增(zeng)加時，ID也相應(ying)增(zeng)加。
圖3括流部(bu)分(fen)電路
圖(tu)4P-MOSFET輸出特(te)性
2控制(zhi)部分(fen)電路
控制部分電(dian)(dian)路的(de)目的(de)是要保持(chi)原有的(de)三階段充電(dian)(dian)模(mo)式(shi)，在(zai)預充電(dian)(dian)階段及恒(heng)壓充電(dian)(dian)階段不(bu)擴(kuo)流，擴(kuo)流僅在(zai)恒(heng)流階段，如(ru)圖5所示(shi)。
圖5括流(liu)(liu)電路的電流(liu)(liu)表現
原充電器以1A電流充電，若擴流電流為1A，則在恒流充電階段時充電電流為2A。圖5中紅線為充電電池電壓特性、黑線為充電電流特性，實線為加擴流特性，虛線為未加擴流特性。從圖5可看出：擴流的充電時間t5比不擴流的(de)時(shi)間(jian)要短(圖5中的(de)時(shi)間(jian)坐標(biao)并(bing)未按(an)比例畫(hua));并(bing)且也可以看(kan)出(chu)：擴流僅在恒流充電階段(duan)進行。
為(wei)保證擴流在(zai)電(dian)池(chi)(chi)電(dian)壓3.0V開始(shi)，在(zai)電(dian)池(chi)(chi)電(dian)壓4.15V時結束，控制電(dian)路(lu)設置了窗口比較(jiao)器，在(zai)電(dian)池(chi)(chi)電(dian)壓(VBAT)為(wei)3.0～4.15V之間控制P-MOSFET導通。在(zai)此窗口電(dian)壓外，P-MOSFET截止。
在圖2中，由R5、R6及(ji)R7、R8組成(cheng)兩個電壓(ya)分壓(ya)器(qi)(檢測電池的(de)電壓(ya)VBAT)，并分別將(jiang)其(qi)檢測的(de)電壓(ya)輸入比(bi)較器(qi)P1及(ji)比(bi)較器(qi)P2組成(cheng)的(de)窗口比(bi)較器(qi)。R3、R4分別為(wei)P1及(ji)P2的(de)上拉(la)電阻，D2、D3為(wei)隔離(li)二極管(guan)。充(chong)電電池電壓(ya)VBAT與(yu)P1、P2的(de)輸出及(ji)P-MOSFET的(de)工作狀態如(ru)表1所示。
表1充電電池電壓和P-MOSFET工(gong)作狀態(tai)
從(cong)圖(tu)(tu)2可(ke)看出：P-MOSFET的(de)-VGS電(dian)(dian)壓(ya)是(shi)(shi)由R2、RP往D1提供的(de)，則P-MOSFET在(zai)上電(dian)(dian)后應是(shi)(shi)一(yi)直導通的(de)。現(xian)(xian)要(yao)求在(zai)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)(VBAT)小(xiao)于(yu)3.0V及(ji)(ji)大于(yu)4.15V時P-MOSFET要(yao)關(guan)斷，則控(kong)制(zhi)電(dian)(dian)路要(yao)在(zai)VBAT<3.0V及(ji)(ji)VBAT>4.15V時，在(zai)P-MOSFET的(de)柵(zha)極(ji)(ji)G上加(jia)上高電(dian)(dian)平，使其(qi)(qi)-VGS=0.7V，小(xiao)于(yu)導通閾值電(dian)(dian)壓(ya)-VGS(th)，則P-MOSFET截(jie)止(zhi)(zhi)(關(guan)斷)。現(xian)(xian)由P1、P2比較器(qi)及(ji)(ji)其(qi)(qi)他元器(qi)件組(zu)成窗口比較器(qi)實(shi)現(xian)(xian)了(le)這一(yi)控(kong)制(zhi)要(yao)求：無(wu)論是(shi)(shi)P1或P2輸出高電(dian)(dian)平時，VIN通過R4或R3及(ji)(ji)D3或D2加(jia)在(zai)P-MOSFET的(de)柵(zha)極(ji)(ji)上，迫使柵(zha)極(ji)(ji)電(dian)(dian)壓(ya)為(wei)VIN=0.7V，則-VDS=0.7V而截(jie)止(zhi)(zhi)，滿足了(le)控(kong)制(zhi)的(de)要(yao)求(見圖(tu)(tu)6)。圖(tu)(tu)中，D1、D2、D3是(shi)(shi)隔離二極(ji)(ji)管，是(shi)(shi)正確控(kong)制(zhi)必不(bu)可(ke)少的(de)。
圖6窗(chuang)口比較器電路
P-MOSFET的功耗及(ji)散熱
1擴(kuo)流管P-MOSFET的功耗計算
P-MOSFET在擴流(liu)時的功(gong)耗PD與輸出電壓VIN電池電壓VBAT、肖特基二(er)極管的正向(xiang)壓降VF及擴流(liu)電流(liu)ID有關，其計算公式如下(xia)：
PD=VIN-(VBAT+VF)×ID(1)
其(qi)最(zui)大的功耗是(shi)在VIN(max)及(ji)VBAT(min)時，即在擴流開始(shi)時(VBAT=3V)，則上式可寫(xie)成：
PDmax=VIN(max)-(3V+VF)×ID(2)
若VIN(max)=5.2V、在ID=1A時(shi)，VF=0.4V，則PDmax=1.8W。選擇(ze)的(de)P-MOSFET的(de)最大(da)(da)允(yun)許功耗應(ying)大(da)(da)于計算出的(de)最大(da)(da)功耗。
2P-MOSFET的(de)散熱
貼片式功(gong)率(lv)MOSFET采用印制(zhi)板(ban)的(de)敷銅層來散(san)熱(re)(re)，即在設計印制(zhi)板(ban)時要(yao)留出一定(ding)的(de)散(san)熱(re)(re)面積(ji)。例如(ru)，采用DPAK封裝的(de)MTD2955E在計算出PDmax=1.75W時，需(xu)11mm2散(san)熱(re)(re)面積(ji);若PDmax=3W時，需(xu)26mm2散(san)熱(re)(re)面積(ji)。若采用雙(shuang)面敷銅板(ban)(在上(shang)下層做一些金屬(shu)化孔相(xiang)互(hu)連接，利(li)用空氣流通)，則(ze)其面積(ji)可減(jian)小。若散(san)熱(re)(re)不好，功(gong)率(lv)MOSFET的(de)溫度上(shang)升(sheng)，ID的(de)輸出會隨溫度增加而上(shang)升(sheng)。所以足(zu)夠的(de)散(san)熱(re)(re)是(shi)(shi)要(yao)重視的(de)，最好是(shi)(shi)實驗確定(ding)其合適散(san)熱(re)(re)面積(ji)，使(shi)ID穩定(ding)。
這里(li)還(huan)需要(yao)指出的(de)(de)(de)是(shi)，不同(tong)封(feng)裝的(de)(de)(de)P-MOSFET，在(zai)同(tong)樣的(de)(de)(de)最大功(gong)耗時，其散熱(re)(re)面積(ji)(ji)是(shi)不同(tong)的(de)(de)(de)。例如采用(yong)SO-8封(feng)裝的(de)(de)(de)Si99XXDY系列P-MOSFET時，封(feng)裝尺寸小、背面無金屬散熱(re)(re)墊，其散熱(re)(re)面積(ji)(ji)要(yao)比(bi)用(yong)DPAK封(feng)裝大得多。具(ju)體的(de)(de)(de)散熱(re)(re)面積(ji)(ji)由實(shi)驗確定。
兩種功率MOSFET
這(zhe)里介紹兩種(zhong)P-MOSFET：Si9933DY及(ji)MTD2955E。
1Si9933DY及MTD2955E的主(zhu)要參數
Si9933DY及MTD2955E的主要參數見表2。
2引腳排(pai)列
Si9933DY引(yin)腳(jiao)排列如圖7所(suo)示，MTD2955E引(yin)腳(jiao)排列如圖8所(suo)示。
圖(tu)7Si9933DY引(yin)腳(jiao)排(pai)列
圖8MTD2955E引腳排(pai)列
3輸(shu)出特性
Si9933DY時(shi)可將兩MOSFET并聯應用，使功率增(zeng)加一(yi)倍(bei)，PDS(ON)減(jian)小一(yi)半。采(cai)(cai)用Si9933DY可擴流(liu)1A。采(cai)(cai)用MTD2955E可擴流(liu)2A或(huo)2A以上。
圖9Si9933DY輸出(chu)曲線(xian)
圖(tu)10MTD2955E輸出曲(qu)線
采用(yong)上述簡單的擴(kuo)流(liu)電(dian)路可增加充電(dian)電(dian)流(liu)到2～3A。但由于擴(kuo)流(liu)管(guan)工作于線性狀(zhuang)態，管(guan)耗大，效率(lv)60%～70%。若需(xu)要更(geng)(geng)大的充電(dian)電(dian)流(liu)還是用(yong)開關電(dian)源(yuan)，它可獲(huo)得(de)更(geng)(geng)高的效率(lv)。