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，其充電電池的(de)容(rong)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(shang)擴流(liu)電路(lu)及控制(zhi)電路(lu)組成。
CN3056簡介
CN3056充電器已在本刊2006年12期及2007年電(dian)源增刊上介紹過(“線性鋰二次電池充電器芯片(pian)CN3056”)。這(zhe)里僅作(zuo)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)(dian)壓<3V，則有(you)小電(dian)(dian)(dian)(dian)流預充電(dian)(dian)(dian)(dian)模式;充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流可設定，最大充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流為1A;精電(dian)(dian)(dian)(dian)密度(du)4.2V±1%、有(you)熱調節、欠壓鎖存及電(dian)(dian)(dian)(dian)池溫度(du)檢測、超(chao)溫保(bao)護及充電(dian)(dian)(dian)(dian)狀態(tai)和(he)溫度(du)超(chao)差(cha)指示功能;10引(yin)腳(jiao)小尺寸DFN封(feng)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(de)充電(dian)電(dian)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(chu)，加上(shang)擴(kuo)流部(bu)(bu)分(fen)及控(kong)制(zhi)部(bu)(bu)分(fen)電路(lu)如圖2所(suo)示。現分(fen)別(bie)介紹其(qi)工(gong)作原理(li)。
圖2充電(dian)(dian)器電(dian)(dian)路
1擴流部分(fen)電(dian)路
擴(kuo)流部(bu)分電(dian)路如圖(tu)3所(suo)示。它(ta)由P溝道功率MOSFET(VT)、R及RP組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)的(de)分壓(ya)器、肖特基二極管D4組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)。利用分壓(ya)器調節P-MOSFET的(de)-VGS大小，使獲得所(suo)需擴(kuo)流電(dian)流ID。P-MOSFET的(de)輸(shu)出(chu)特性(以Si9933DY為例)如圖(tu)4所(suo)示。在(zai)-VGS=2.1V、VDS>0.5V時(shi)，其輸(shu)出(chu)特性幾乎是(shi)一(yi)水平(ping)直(zhi)線;在(zai)不同的(de)VDS時(shi)，ID是(shi)恒流。從圖(tu)4也可以看出(chu)，在(zai)-VGS增加(jia)時(shi)，ID也相應增加(jia)。
圖3括流(liu)部(bu)分電路
圖4P-MOSFET輸出特性(xing)
2控制(zhi)部分電路(lu)
控制(zhi)部(bu)分電(dian)(dian)路的目的是要保持原有(you)的三(san)階(jie)(jie)段(duan)充電(dian)(dian)模式，在(zai)預充電(dian)(dian)階(jie)(jie)段(duan)及(ji)恒(heng)壓(ya)充電(dian)(dian)階(jie)(jie)段(duan)不擴流，擴流僅在(zai)恒(heng)流階(jie)(jie)段(duan)，如圖5所示(shi)。
圖5括流電(dian)路的電(dian)流表現
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(bu)擴流的(de)時間要(yao)短(圖5中(zhong)的(de)時間坐標并(bing)未按(an)比(bi)例畫(hua));并(bing)且(qie)也可以看出：擴流僅(jin)在恒(heng)流充(chong)電(dian)階段進行。
為(wei)保證(zheng)擴流(liu)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時結(jie)束，控(kong)(kong)制電(dian)(dian)路設置了窗(chuang)口比較器，在(zai)(zai)電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(ya)(VBAT)為(wei)3.0～4.15V之間控(kong)(kong)制P-MOSFET導通。在(zai)(zai)此窗(chuang)口電(dian)(dian)壓(ya)外，P-MOSFET截(jie)止。
在圖(tu)2中，由R5、R6及(ji)R7、R8組成兩個電(dian)(dian)(dian)壓分壓器(qi)(檢測電(dian)(dian)(dian)池的電(dian)(dian)(dian)壓VBAT)，并分別(bie)將其檢測的電(dian)(dian)(dian)壓輸入比較器(qi)P1及(ji)比較器(qi)P2組成的窗口(kou)比較器(qi)。R3、R4分別(bie)為(wei)P1及(ji)P2的上(shang)拉電(dian)(dian)(dian)阻，D2、D3為(wei)隔(ge)離二極管。充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓VBAT與P1、P2的輸出及(ji)P-MOSFET的工作狀(zhuang)態如表1所示。
表(biao)1充電(dian)電(dian)池電(dian)壓(ya)和P-MOSFET工作狀態
從圖(tu)2可看出：P-MOSFET的(de)(de)(de)-VGS電(dian)(dian)(dian)壓(ya)是(shi)由R2、RP往D1提供的(de)(de)(de)，則(ze)P-MOSFET在(zai)上電(dian)(dian)(dian)后應是(shi)一(yi)(yi)直導通的(de)(de)(de)。現要求在(zai)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(VBAT)小(xiao)于(yu)3.0V及(ji)大于(yu)4.15V時(shi)P-MOSFET要關斷，則(ze)控制(zhi)電(dian)(dian)(dian)路要在(zai)VBAT<3.0V及(ji)VBAT>4.15V時(shi)，在(zai)P-MOSFET的(de)(de)(de)柵極(ji)(ji)G上加(jia)上高電(dian)(dian)(dian)平，使其-VGS=0.7V，小(xiao)于(yu)導通閾值電(dian)(dian)(dian)壓(ya)-VGS(th)，則(ze)P-MOSFET截止(zhi)(關斷)。現由P1、P2比較(jiao)器(qi)及(ji)其他元器(qi)件(jian)組(zu)成窗(chuang)口(kou)比較(jiao)器(qi)實(shi)現了這一(yi)(yi)控制(zhi)要求：無論(lun)是(shi)P1或(huo)P2輸出高電(dian)(dian)(dian)平時(shi)，VIN通過R4或(huo)R3及(ji)D3或(huo)D2加(jia)在(zai)P-MOSFET的(de)(de)(de)柵極(ji)(ji)上，迫使柵極(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)為VIN=0.7V，則(ze)-VDS=0.7V而(er)截止(zhi)，滿足了控制(zhi)的(de)(de)(de)要求(見圖(tu)6)。圖(tu)中(zhong)，D1、D2、D3是(shi)隔離二(er)極(ji)(ji)管，是(shi)正確控制(zhi)必不(bu)可少的(de)(de)(de)。
圖6窗口比較(jiao)器電路
P-MOSFET的功(gong)耗(hao)及散熱(re)
1擴流管(guan)P-MOSFET的功耗計算
P-MOSFET在擴流時的(de)功耗PD與輸出電(dian)(dian)壓VIN電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓VBAT、肖(xiao)特基二極管的(de)正向壓降VF及擴流電(dian)(dian)流ID有關，其計算公式如下(xia)：
PD=VIN-(VBAT+VF)×ID(1)
其最大的功耗是在(zai)VIN(max)及(ji)VBAT(min)時，即在(zai)擴(kuo)流開始(shi)時(VBAT=3V)，則上式可寫成：
PDmax=VIN(max)-(3V+VF)×ID(2)
若(ruo)VIN(max)=5.2V、在ID=1A時，VF=0.4V，則PDmax=1.8W。選擇的P-MOSFET的最大(da)允許功(gong)耗應(ying)大(da)于(yu)計算(suan)出的最大(da)功(gong)耗。
2P-MOSFET的散(san)熱
貼片式功率MOSFET采用(yong)印制(zhi)板(ban)的敷銅層來(lai)散熱，即在設計印制(zhi)板(ban)時要留出一定(ding)的散熱面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)。例如，采用(yong)DPAK封裝的MTD2955E在計算(suan)出PDmax=1.75W時，需11mm2散熱面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji);若(ruo)(ruo)PDmax=3W時，需26mm2散熱面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)。若(ruo)(ruo)采用(yong)雙面(mian)敷銅板(ban)(在上(shang)下層做一些金屬化孔相(xiang)互(hu)連接，利(li)用(yong)空氣流通)，則(ze)其面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)可減(jian)小。若(ruo)(ruo)散熱不好，功率MOSFET的溫度(du)上(shang)升，ID的輸出會隨溫度(du)增加而上(shang)升。所(suo)以足夠的散熱是要重視(shi)的，最好是實驗確定(ding)其合適散熱面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)，使ID穩定(ding)。
這里還需要指出的(de)是，不同(tong)封裝(zhuang)的(de)P-MOSFET，在同(tong)樣的(de)最(zui)大(da)功耗時，其(qi)散(san)(san)熱(re)面積是不同(tong)的(de)。例如采用SO-8封裝(zhuang)的(de)Si99XXDY系列P-MOSFET時，封裝(zhuang)尺寸小、背面無金(jin)屬散(san)(san)熱(re)墊，其(qi)散(san)(san)熱(re)面積要比用DPAK封裝(zhuang)大(da)得多。具(ju)體(ti)的(de)散(san)(san)熱(re)面積由實驗確定。
兩種(zhong)功率MOSFET
這里(li)介紹兩種P-MOSFET：Si9933DY及MTD2955E。
1Si9933DY及MTD2955E的主要參數
Si9933DY及MTD2955E的(de)主要參數(shu)見表2。
2引腳排列
Si9933DY引腳(jiao)(jiao)排(pai)列如(ru)圖7所示，MTD2955E引腳(jiao)(jiao)排(pai)列如(ru)圖8所示。
圖7Si9933DY引(yin)腳(jiao)排列
圖8MTD2955E引腳(jiao)排列
3輸出特性(xing)
Si9933DY時可將兩MOSFET并聯應用(yong)，使(shi)功(gong)率(lv)增加一倍(bei)，PDS(ON)減小(xiao)一半。采用(yong)Si9933DY可擴流1A。采用(yong)MTD2955E可擴流2A或2A以上。
圖9Si9933DY輸出曲線(xian)
圖10MTD2955E輸(shu)出(chu)曲線(xian)
采用上述(shu)簡單的(de)擴流電(dian)路可增加充(chong)電(dian)電(dian)流到2～3A。但由于擴流管工作(zuo)于線性狀態，管耗大，效率(lv)60%～70%。若需要更大的(de)充(chong)電(dian)電(dian)流還(huan)是用開(kai)關電(dian)源(yuan)，它可獲得更高的(de)效率(lv)。