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(qi)充(chong)電電池的容量要求(qiu)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(liu)電路(lu)及控制(zhi)電路(lu)組成(cheng)。
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CN3056”)。這(zhe)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)壓(ya)<3V，則有小電(dian)流(liu)預(yu)充電(dian)模(mo)式;充電(dian)電(dian)流(liu)可設(she)定，最大(da)充電(dian)電(dian)流(liu)為1A;精(jing)電(dian)密度(du)4.2V±1%、有熱調節、欠壓(ya)鎖存及電(dian)池(chi)溫(wen)度(du)檢測、超溫(wen)保護及充電(dian)狀態和溫(wen)度(du)超差指示功能(neng);10引腳小尺寸DFN封裝(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(chong)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充電器為基礎，加上擴(kuo)流部分(fen)及控制部分(fen)電(dian)路(lu)如圖(tu)2所示。現分(fen)別介紹其工(gong)作原理。
圖2充電(dian)器(qi)電(dian)路
1擴(kuo)流部分(fen)電路
擴流(liu)部分電(dian)路如(ru)圖(tu)(tu)3所示(shi)(shi)。它由P溝(gou)道功率MOSFET(VT)、R及RP組成的分壓器、肖特(te)基二極管D4組成。利用分壓器調節(jie)P-MOSFET的-VGS大小，使獲得所需(xu)擴流(liu)電(dian)流(liu)ID。P-MOSFET的輸出(chu)(chu)特(te)性(以Si9933DY為例)如(ru)圖(tu)(tu)4所示(shi)(shi)。在-VGS=2.1V、VDS>0.5V時，其輸出(chu)(chu)特(te)性幾乎是一(yi)水(shui)平直線;在不同的VDS時，ID是恒流(liu)。從圖(tu)(tu)4也(ye)可以看出(chu)(chu)，在-VGS增(zeng)(zeng)加(jia)時，ID也(ye)相應增(zeng)(zeng)加(jia)。
圖3括流部分(fen)電路(lu)
圖4P-MOSFET輸出特性
2控制部(bu)分電路
控制部分電路的(de)目(mu)的(de)是(shi)要保持原有的(de)三階段充(chong)電模式，在預充(chong)電階段及恒(heng)(heng)壓充(chong)電階段不擴流，擴流僅(jin)在恒(heng)(heng)流階段，如圖5所示。
圖5括(kuo)流(liu)電路(lu)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(bi)不擴(kuo)流的時間要短(duan)(圖5中(zhong)的時間坐標并未按比(bi)例畫);并且也可以看出：擴(kuo)流僅在恒流充電階(jie)段進行。
為保證擴流在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓3.0V開(kai)始，在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓4.15V時結束，控制(zhi)電(dian)(dian)(dian)路設置了窗口(kou)(kou)比(bi)較器，在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(VBAT)為3.0～4.15V之(zhi)間(jian)控制(zhi)P-MOSFET導(dao)通。在(zai)(zai)此(ci)窗口(kou)(kou)電(dian)(dian)(dian)壓外，P-MOSFET截止(zhi)。
在圖2中，由R5、R6及(ji)R7、R8組(zu)成兩個電(dian)壓(ya)分壓(ya)器(檢測電(dian)池的(de)(de)電(dian)壓(ya)VBAT)，并分別將其(qi)檢測的(de)(de)電(dian)壓(ya)輸入比較(jiao)器P1及(ji)比較(jiao)器P2組(zu)成的(de)(de)窗(chuang)口比較(jiao)器。R3、R4分別為P1及(ji)P2的(de)(de)上拉電(dian)阻，D2、D3為隔離(li)二極管。充電(dian)電(dian)池電(dian)壓(ya)VBAT與P1、P2的(de)(de)輸出(chu)及(ji)P-MOSFET的(de)(de)工作(zuo)狀態如表1所示。
表1充(chong)電電池電壓和P-MOSFET工作狀(zhuang)態(tai)
從圖2可看(kan)出(chu)：P-MOSFET的-VGS電(dian)(dian)壓(ya)是(shi)由R2、RP往(wang)D1提(ti)供的，則(ze)(ze)(ze)P-MOSFET在上電(dian)(dian)后(hou)應是(shi)一直(zhi)導(dao)通的。現(xian)要求在電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)(VBAT)小(xiao)于(yu)3.0V及大于(yu)4.15V時P-MOSFET要關斷，則(ze)(ze)(ze)控(kong)制電(dian)(dian)路要在VBAT<3.0V及VBAT>4.15V時，在P-MOSFET的柵極(ji)G上加上高電(dian)(dian)平(ping)，使其-VGS=0.7V，小(xiao)于(yu)導(dao)通閾值電(dian)(dian)壓(ya)-VGS(th)，則(ze)(ze)(ze)P-MOSFET截止(zhi)(關斷)。現(xian)由P1、P2比較器(qi)及其他元器(qi)件組成窗口比較器(qi)實現(xian)了這一控(kong)制要求：無(wu)論是(shi)P1或P2輸出(chu)高電(dian)(dian)平(ping)時，VIN通過R4或R3及D3或D2加在P-MOSFET的柵極(ji)上，迫使柵極(ji)電(dian)(dian)壓(ya)為VIN=0.7V，則(ze)(ze)(ze)-VDS=0.7V而截止(zhi)，滿足了控(kong)制的要求(見圖6)。圖中，D1、D2、D3是(shi)隔離二極(ji)管，是(shi)正確控(kong)制必不(bu)可少的。
圖(tu)6窗(chuang)口比較器電路(lu)
P-MOSFET的功耗及散(san)熱
1擴流管(guan)P-MOSFET的功耗(hao)計算
P-MOSFET在(zai)擴(kuo)流(liu)時的(de)功耗(hao)PD與輸出(chu)電壓VIN電池(chi)電壓VBAT、肖特(te)基二極管的(de)正向壓降VF及擴(kuo)流(liu)電流(liu)ID有關，其(qi)計算(suan)公式如下：
PD=VIN-(VBAT+VF)×ID(1)
其最大的功耗是在VIN(max)及VBAT(min)時，即在擴(kuo)流(liu)開(kai)始時(VBAT=3V)，則(ze)上式可寫成：
PDmax=VIN(max)-(3V+VF)×ID(2)
若VIN(max)=5.2V、在(zai)ID=1A時，VF=0.4V，則(ze)PDmax=1.8W。選擇的P-MOSFET的最大允許功耗應大于計算出的最大功耗。
2P-MOSFET的(de)散熱
貼片(pian)式功率(lv)MOSFET采用(yong)印制板(ban)的(de)(de)敷銅(tong)層(ceng)來散(san)熱，即在設計印制板(ban)時(shi)要(yao)(yao)留(liu)出一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)散(san)熱面(mian)(mian)(mian)積(ji)。例(li)如，采用(yong)DPAK封裝的(de)(de)MTD2955E在計算出PDmax=1.75W時(shi)，需(xu)11mm2散(san)熱面(mian)(mian)(mian)積(ji);若(ruo)PDmax=3W時(shi)，需(xu)26mm2散(san)熱面(mian)(mian)(mian)積(ji)。若(ruo)采用(yong)雙(shuang)面(mian)(mian)(mian)敷銅(tong)板(ban)(在上下層(ceng)做一(yi)些(xie)金屬化(hua)孔(kong)相互連(lian)接(jie)，利用(yong)空(kong)氣流通)，則其(qi)面(mian)(mian)(mian)積(ji)可減(jian)小。若(ruo)散(san)熱不好，功率(lv)MOSFET的(de)(de)溫(wen)(wen)度上升(sheng)，ID的(de)(de)輸出會隨溫(wen)(wen)度增加而(er)上升(sheng)。所以足夠的(de)(de)散(san)熱是要(yao)(yao)重視的(de)(de)，最好是實(shi)驗確(que)定(ding)(ding)其(qi)合適散(san)熱面(mian)(mian)(mian)積(ji)，使ID穩定(ding)(ding)。
這里還需(xu)要指出(chu)的(de)是，不同封裝(zhuang)(zhuang)的(de)P-MOSFET，在(zai)同樣的(de)最大功(gong)耗時(shi)，其散(san)熱(re)面(mian)積是不同的(de)。例如采用SO-8封裝(zhuang)(zhuang)的(de)Si99XXDY系列P-MOSFET時(shi)，封裝(zhuang)(zhuang)尺寸小、背(bei)面(mian)無金屬散(san)熱(re)墊(dian)，其散(san)熱(re)面(mian)積要比用DPAK封裝(zhuang)(zhuang)大得多。具(ju)體的(de)散(san)熱(re)面(mian)積由實驗確定。
兩種功率MOSFET
這(zhe)里介(jie)紹兩種P-MOSFET：Si9933DY及MTD2955E。
1Si9933DY及MTD2955E的(de)主要(yao)參數
Si9933DY及MTD2955E的主要參數(shu)見表2。
2引腳排列
Si9933DY引腳排(pai)列如(ru)(ru)圖(tu)7所示(shi)，MTD2955E引腳排(pai)列如(ru)(ru)圖(tu)8所示(shi)。
圖(tu)7Si9933DY引腳排列
圖8MTD2955E引腳排列
3輸出特(te)性
Si9933DY時可將兩MOSFET并聯(lian)應用(yong)(yong)(yong)，使功率增加一倍，PDS(ON)減小一半。采用(yong)(yong)(yong)Si9933DY可擴流1A。采用(yong)(yong)(yong)MTD2955E可擴流2A或2A以(yi)上。
圖9Si9933DY輸出曲線(xian)
圖10MTD2955E輸出曲線(xian)
采(cai)用上述簡單的(de)擴流電(dian)(dian)(dian)(dian)路可增(zeng)加充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流到2～3A。但由于擴流管(guan)工作(zuo)于線性狀態，管(guan)耗(hao)大，效率60%～70%。若需要更(geng)大的(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流還(huan)是(shi)用開關電(dian)(dian)(dian)(dian)源，它(ta)可獲得更(geng)高(gao)的(de)效率。