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(dian)電(dian)池的容量(liang)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(wei)基礎，另(ling)外加上擴流電(dian)路及(ji)控制電(dian)路組成。
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CN3056”)。這里(li)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)壓(ya)<3V，則有小電(dian)(dian)流(liu)預充(chong)電(dian)(dian)模式;充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)可設定(ding)，最大充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)為1A;精電(dian)(dian)密度(du)(du)4.2V±1%、有熱調節、欠壓(ya)鎖存及(ji)電(dian)(dian)池溫度(du)(du)檢測(ce)、超溫保護及(ji)充(chong)電(dian)(dian)狀態和(he)溫度(du)(du)超差指示功(gong)能;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充電器為基礎(chu)，加上擴(kuo)流部(bu)分(fen)(fen)及控(kong)制(zhi)部(bu)分(fen)(fen)電路(lu)如(ru)圖2所示(shi)。現分(fen)(fen)別介紹其(qi)工作原理(li)。
圖2充電(dian)器電(dian)路
1擴(kuo)流部(bu)分電路
擴流部分(fen)(fen)電(dian)路如(ru)(ru)圖3所(suo)(suo)(suo)示。它由P溝道(dao)功率MOSFET(VT)、R及(ji)RP組成的分(fen)(fen)壓(ya)(ya)器、肖特(te)基二(er)極管D4組成。利用分(fen)(fen)壓(ya)(ya)器調節P-MOSFET的-VGS大小，使獲(huo)得(de)所(suo)(suo)(suo)需(xu)擴流電(dian)流ID。P-MOSFET的輸出特(te)性(xing)(以Si9933DY為(wei)例)如(ru)(ru)圖4所(suo)(suo)(suo)示。在(zai)-VGS=2.1V、VDS>0.5V時，其輸出特(te)性(xing)幾(ji)乎是(shi)一(yi)水平直線(xian);在(zai)不同(tong)的VDS時，ID是(shi)恒(heng)流。從圖4也可以看出，在(zai)-VGS增加時，ID也相應增加。
圖3括流(liu)部分電路
圖(tu)4P-MOSFET輸出特性(xing)
2控(kong)制部分電路
控制部(bu)分電(dian)(dian)路的目的是(shi)要保持原有的三階(jie)段(duan)充電(dian)(dian)模(mo)式，在(zai)(zai)預充電(dian)(dian)階(jie)段(duan)及恒壓充電(dian)(dian)階(jie)段(duan)不擴流，擴流僅在(zai)(zai)恒流階(jie)段(duan)，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(de)時間要(yao)短(圖5中的(de)時間坐標(biao)并(bing)未按比例畫(hua));并(bing)且也可以(yi)看(kan)出(chu)：擴流僅在恒流充電階段進行。
為保證擴流(liu)在電(dian)池電(dian)壓3.0V開始，在電(dian)池電(dian)壓4.15V時結束(shu)，控制(zhi)電(dian)路設置了窗口比較(jiao)器，在電(dian)池電(dian)壓(VBAT)為3.0～4.15V之(zhi)間控制(zhi)P-MOSFET導通。在此窗口電(dian)壓外，P-MOSFET截止。
在圖2中，由(you)R5、R6及R7、R8組成兩個電(dian)壓(ya)分壓(ya)器(qi)(檢(jian)測電(dian)池的(de)(de)電(dian)壓(ya)VBAT)，并分別將其(qi)檢(jian)測的(de)(de)電(dian)壓(ya)輸入比較(jiao)器(qi)P1及比較(jiao)器(qi)P2組成的(de)(de)窗口(kou)比較(jiao)器(qi)。R3、R4分別為P1及P2的(de)(de)上拉電(dian)阻，D2、D3為隔離二極管。充電(dian)電(dian)池電(dian)壓(ya)VBAT與P1、P2的(de)(de)輸出(chu)及P-MOSFET的(de)(de)工(gong)作狀態如表1所(suo)示。
表1充電電池電壓和(he)P-MOSFET工作狀(zhuang)態
從圖(tu)2可(ke)看出(chu)：P-MOSFET的(de)(de)-VGS電(dian)壓(ya)是(shi)(shi)(shi)由(you)R2、RP往D1提供的(de)(de)，則P-MOSFET在(zai)(zai)上(shang)電(dian)后應是(shi)(shi)(shi)一(yi)直(zhi)導通(tong)的(de)(de)。現要求(qiu)在(zai)(zai)電(dian)池電(dian)壓(ya)(VBAT)小(xiao)(xiao)于(yu)3.0V及(ji)大于(yu)4.15V時P-MOSFET要關斷，則控(kong)制電(dian)路要在(zai)(zai)VBAT<3.0V及(ji)VBAT>4.15V時，在(zai)(zai)P-MOSFET的(de)(de)柵(zha)極(ji)(ji)G上(shang)加(jia)上(shang)高電(dian)平(ping)，使其-VGS=0.7V，小(xiao)(xiao)于(yu)導通(tong)閾值電(dian)壓(ya)-VGS(th)，則P-MOSFET截止(關斷)。現由(you)P1、P2比較(jiao)器(qi)及(ji)其他(ta)元器(qi)件組(zu)成窗(chuang)口比較(jiao)器(qi)實現了這一(yi)控(kong)制要求(qiu)：無論是(shi)(shi)(shi)P1或P2輸出(chu)高電(dian)平(ping)時，VIN通(tong)過R4或R3及(ji)D3或D2加(jia)在(zai)(zai)P-MOSFET的(de)(de)柵(zha)極(ji)(ji)上(shang)，迫使柵(zha)極(ji)(ji)電(dian)壓(ya)為VIN=0.7V，則-VDS=0.7V而截止，滿足(zu)了控(kong)制的(de)(de)要求(qiu)(見圖(tu)6)。圖(tu)中，D1、D2、D3是(shi)(shi)(shi)隔離二極(ji)(ji)管，是(shi)(shi)(shi)正確控(kong)制必不可(ke)少的(de)(de)。
圖6窗口(kou)比較(jiao)器電(dian)路(lu)
P-MOSFET的功耗及散熱(re)
1擴流(liu)管P-MOSFET的功耗計算
P-MOSFET在擴(kuo)流(liu)時的功耗PD與輸出電(dian)(dian)壓(ya)VIN電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)VBAT、肖特基二極管的正向壓(ya)降(jiang)VF及(ji)擴(kuo)流(liu)電(dian)(dian)流(liu)ID有關，其計算(suan)公式如(ru)下：
PD=VIN-(VBAT+VF)×ID(1)
其最大的(de)功耗是在(zai)VIN(max)及VBAT(min)時，即在(zai)擴流開始時(VBAT=3V)，則上式可寫(xie)成：
PDmax=VIN(max)-(3V+VF)×ID(2)
若VIN(max)=5.2V、在(zai)ID=1A時，VF=0.4V，則PDmax=1.8W。選(xuan)擇的P-MOSFET的最大(da)允許功耗應大(da)于計算出的最大(da)功耗。
2P-MOSFET的(de)散熱
貼片式功率MOSFET采用印制(zhi)板(ban)的敷(fu)銅(tong)層來散(san)(san)(san)熱(re)(re)，即(ji)在(zai)設計(ji)印制(zhi)板(ban)時(shi)要留出一(yi)定(ding)的散(san)(san)(san)熱(re)(re)面積(ji)。例如，采用DPAK封(feng)裝的MTD2955E在(zai)計(ji)算出PDmax=1.75W時(shi)，需11mm2散(san)(san)(san)熱(re)(re)面積(ji);若(ruo)PDmax=3W時(shi)，需26mm2散(san)(san)(san)熱(re)(re)面積(ji)。若(ruo)采用雙面敷(fu)銅(tong)板(ban)(在(zai)上下層做(zuo)一(yi)些(xie)金屬化孔相互(hu)連接，利(li)用空氣流通)，則其面積(ji)可(ke)減小。若(ruo)散(san)(san)(san)熱(re)(re)不好，功率MOSFET的溫度上升，ID的輸出會隨溫度增加而上升。所以足夠(gou)的散(san)(san)(san)熱(re)(re)是(shi)要重視的，最好是(shi)實驗(yan)確定(ding)其合適(shi)散(san)(san)(san)熱(re)(re)面積(ji)，使ID穩定(ding)。
這里還需(xu)要指(zhi)出(chu)的是，不(bu)同封裝的P-MOSFET，在(zai)同樣的最大功耗時(shi)，其散(san)(san)熱(re)(re)面積是不(bu)同的。例(li)如(ru)采用SO-8封裝的Si99XXDY系列P-MOSFET時(shi)，封裝尺寸小、背面無金屬(shu)散(san)(san)熱(re)(re)墊，其散(san)(san)熱(re)(re)面積要比(bi)用DPAK封裝大得多。具體的散(san)(san)熱(re)(re)面積由實驗確(que)定。
兩(liang)種功率MOSFET
這里介紹兩種(zhong)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(biao)2。
2引腳(jiao)排列
Si9933DY引(yin)腳排(pai)列如圖7所(suo)示，MTD2955E引(yin)腳排(pai)列如圖8所(suo)示。
圖7Si9933DY引腳(jiao)排列
圖8MTD2955E引腳排列
3輸出特性
Si9933DY時可將(jiang)兩MOSFET并(bing)聯應用，使功率增加(jia)一倍，PDS(ON)減小(xiao)一半。采用Si9933DY可擴流1A。采用MTD2955E可擴流2A或2A以上。
圖(tu)9Si9933DY輸出曲線
圖10MTD2955E輸出(chu)曲線
采用上述(shu)簡單的(de)(de)擴(kuo)流(liu)電(dian)路可(ke)增加(jia)充電(dian)電(dian)流(liu)到2～3A。但(dan)由于擴(kuo)流(liu)管工作于線(xian)性狀(zhuang)態，管耗大，效(xiao)率60%～70%。若需要更大的(de)(de)充電(dian)電(dian)流(liu)還(huan)是用開關(guan)電(dian)源，它可(ke)獲(huo)得更高的(de)(de)效(xiao)率。