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(de)容量要求為1500mA及(ji)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(shang)擴流電路及控制(zhi)電路組(zu)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(pian)CN3056”)。這里僅作一簡(jian)介。
CN3056組成的充電器按恒流、恒壓模式充電，若充電電池電(dian)壓(ya)<3V，則有小電(dian)流(liu)(liu)預充電(dian)模(mo)式;充電(dian)電(dian)流(liu)(liu)可設定，最大充電(dian)電(dian)流(liu)(liu)為1A;精電(dian)密度4.2V±1%、有熱調節、欠壓(ya)鎖(suo)存(cun)及電(dian)池溫度檢測、超溫保護及充電(dian)狀態和溫度超差指示功能;10引腳小尺(chi)寸(cun)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(tu)1由CN3056構成(cheng)的充電(dian)(dian)電(dian)(dian)路(lu)
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充電器為基(ji)礎(chu)，加上擴流部分及控制部分電路如圖2所示(shi)。現(xian)分別介紹(shao)其工作原理。
圖(tu)2充電器電路
1擴流部分電路
擴流部分(fen)電(dian)路(lu)如(ru)圖3所示。它由(you)P溝(gou)道功率MOSFET(VT)、R及RP組(zu)成(cheng)的(de)分(fen)壓(ya)器(qi)、肖特基二極管D4組(zu)成(cheng)。利用分(fen)壓(ya)器(qi)調節P-MOSFET的(de)-VGS大(da)小，使獲得所需(xu)擴流電(dian)流ID。P-MOSFET的(de)輸(shu)出特性(以Si9933DY為例)如(ru)圖4所示。在(zai)-VGS=2.1V、VDS>0.5V時(shi)，其輸(shu)出特性幾(ji)乎是一水平直線(xian);在(zai)不(bu)同的(de)VDS時(shi)，ID是恒流。從圖4也可以看出，在(zai)-VGS增加時(shi)，ID也相(xiang)應增加。
圖(tu)3括流(liu)部(bu)分電路(lu)
圖4P-MOSFET輸(shu)出特性
2控制部分電路
控制部分電(dian)路的目的是要保持(chi)原(yuan)有的三階(jie)(jie)段充電(dian)模式，在(zai)預充電(dian)階(jie)(jie)段及恒壓充電(dian)階(jie)(jie)段不擴流，擴流僅在(zai)恒流階(jie)(jie)段，如圖5所示。
圖5括流(liu)電路的電流(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比不擴流的時(shi)(shi)間(jian)要短(圖(tu)5中(zhong)的時(shi)(shi)間(jian)坐標并(bing)(bing)未(wei)按比例畫);并(bing)(bing)且也可以看出(chu)：擴流僅在恒(heng)流充電階段進行。
為保(bao)證擴流在(zai)(zai)電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(ya)3.0V開始，在(zai)(zai)電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(ya)4.15V時(shi)結束，控制(zhi)(zhi)電(dian)(dian)路設(she)置(zhi)了(le)窗口(kou)比較器，在(zai)(zai)電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(ya)(VBAT)為3.0～4.15V之間控制(zhi)(zhi)P-MOSFET導(dao)通。在(zai)(zai)此窗口(kou)電(dian)(dian)壓(ya)外(wai)，P-MOSFET截止。
在圖2中(zhong)，由R5、R6及R7、R8組成(cheng)兩個電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)分壓(ya)器(檢測電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)VBAT)，并分別(bie)將其檢測的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)輸入比較(jiao)器P1及比較(jiao)器P2組成(cheng)的(de)(de)(de)窗口比較(jiao)器。R3、R4分別(bie)為(wei)P1及P2的(de)(de)(de)上(shang)拉電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)，D2、D3為(wei)隔(ge)離二極管(guan)。充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)VBAT與P1、P2的(de)(de)(de)輸出及P-MOSFET的(de)(de)(de)工作(zuo)狀(zhuang)態如表1所示(shi)。
表1充電(dian)電(dian)池電(dian)壓和P-MOSFET工作狀態
從圖(tu)2可(ke)看(kan)出(chu)(chu)：P-MOSFET的-VGS電(dian)(dian)(dian)壓(ya)是(shi)(shi)(shi)由R2、RP往D1提供的，則P-MOSFET在上電(dian)(dian)(dian)后應是(shi)(shi)(shi)一(yi)直導通(tong)的。現(xian)要(yao)求在電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(VBAT)小于(yu)3.0V及(ji)大于(yu)4.15V時(shi)P-MOSFET要(yao)關斷(duan)(duan)，則控制(zhi)電(dian)(dian)(dian)路要(yao)在VBAT<3.0V及(ji)VBAT>4.15V時(shi)，在P-MOSFET的柵極(ji)(ji)G上加(jia)上高(gao)電(dian)(dian)(dian)平，使(shi)其(qi)-VGS=0.7V，小于(yu)導通(tong)閾值電(dian)(dian)(dian)壓(ya)-VGS(th)，則P-MOSFET截止(關斷(duan)(duan))。現(xian)由P1、P2比較(jiao)器(qi)(qi)及(ji)其(qi)他(ta)元器(qi)(qi)件組(zu)成窗口比較(jiao)器(qi)(qi)實(shi)現(xian)了(le)這一(yi)控制(zhi)要(yao)求：無(wu)論是(shi)(shi)(shi)P1或(huo)P2輸出(chu)(chu)高(gao)電(dian)(dian)(dian)平時(shi)，VIN通(tong)過R4或(huo)R3及(ji)D3或(huo)D2加(jia)在P-MOSFET的柵極(ji)(ji)上，迫使(shi)柵極(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)為VIN=0.7V，則-VDS=0.7V而截止，滿足了(le)控制(zhi)的要(yao)求(見圖(tu)6)。圖(tu)中，D1、D2、D3是(shi)(shi)(shi)隔離二(er)極(ji)(ji)管，是(shi)(shi)(shi)正確控制(zhi)必不可(ke)少的。
圖6窗口比(bi)較(jiao)器(qi)電路(lu)
P-MOSFET的功耗(hao)及(ji)散熱
1擴流管(guan)P-MOSFET的功耗計算
P-MOSFET在擴流時的功(gong)耗PD與輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)(ya)VIN電(dian)池電(dian)壓(ya)(ya)VBAT、肖(xiao)特基二極(ji)管的正向壓(ya)(ya)降(jiang)VF及擴流電(dian)流ID有關，其計算公式如下：
PD=VIN-(VBAT+VF)×ID(1)
其最大(da)的(de)功耗是在VIN(max)及VBAT(min)時(shi)，即在擴流(liu)開始(shi)時(shi)(VBAT=3V)，則上式可(ke)寫成：
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(xuan)擇的P-MOSFET的最(zui)大允(yun)許功(gong)耗應大于(yu)計算出的最(zui)大功(gong)耗。
2P-MOSFET的散熱
貼片式功(gong)率MOSFET采用(yong)(yong)印制板的(de)敷(fu)銅層來散熱，即在(zai)設計(ji)印制板時要留出(chu)一定(ding)(ding)(ding)的(de)散熱面(mian)(mian)積。例如，采用(yong)(yong)DPAK封裝的(de)MTD2955E在(zai)計(ji)算出(chu)PDmax=1.75W時，需(xu)11mm2散熱面(mian)(mian)積;若PDmax=3W時，需(xu)26mm2散熱面(mian)(mian)積。若采用(yong)(yong)雙(shuang)面(mian)(mian)敷(fu)銅板(在(zai)上(shang)下層做一些金屬化孔相互(hu)連接，利用(yong)(yong)空氣流(liu)通)，則其面(mian)(mian)積可減小。若散熱不好，功(gong)率MOSFET的(de)溫度(du)上(shang)升，ID的(de)輸出(chu)會(hui)隨溫度(du)增加而上(shang)升。所以足(zu)夠的(de)散熱是要重視的(de)，最(zui)好是實驗(yan)確(que)定(ding)(ding)(ding)其合適散熱面(mian)(mian)積，使ID穩定(ding)(ding)(ding)。
這里還需要指出的(de)(de)是，不(bu)同封(feng)裝的(de)(de)P-MOSFET，在同樣的(de)(de)最大(da)功耗時，其(qi)散熱面(mian)(mian)積(ji)是不(bu)同的(de)(de)。例如采用SO-8封(feng)裝的(de)(de)Si99XXDY系列P-MOSFET時，封(feng)裝尺寸小、背(bei)面(mian)(mian)無金屬散熱墊(dian)，其(qi)散熱面(mian)(mian)積(ji)要比用DPAK封(feng)裝大(da)得多。具體的(de)(de)散熱面(mian)(mian)積(ji)由實驗(yan)確定。
兩種功率MOSFET
這(zhe)里介(jie)紹兩種(zhong)P-MOSFET：Si9933DY及MTD2955E。
1Si9933DY及MTD2955E的主要(yao)參數
Si9933DY及MTD2955E的主(zhu)要參數見表(biao)2。
2引腳排列
Si9933DY引腳排列(lie)如圖(tu)7所示，MTD2955E引腳排列(lie)如圖(tu)8所示。
圖7Si9933DY引腳(jiao)排(pai)列
圖8MTD2955E引腳排(pai)列(lie)
3輸出特性
Si9933DY時可將兩MOSFET并聯應用，使功率增加一倍，PDS(ON)減小一半。采用Si9933DY可擴流1A。采用MTD2955E可擴流2A或2A以上。
圖9Si9933DY輸出曲線(xian)
圖10MTD2955E輸出曲線(xian)
采用(yong)上述簡(jian)單的(de)擴流(liu)電(dian)(dian)路可增加充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)到2～3A。但由于擴流(liu)管(guan)(guan)工作于線性狀(zhuang)態(tai)，管(guan)(guan)耗(hao)大，效率(lv)(lv)60%～70%。若需要更(geng)大的(de)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)還是(shi)用(yong)開關電(dian)(dian)源(yuan)，它可獲得(de)更(geng)高(gao)的(de)效率(lv)(lv)。