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(ji)礎，另外加上擴流(liu)電路及控制電路組成(cheng)。
CN3056簡(jian)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(xin)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<3V，則有小(xiao)電(dian)流(liu)(liu)(liu)預充(chong)電(dian)模(mo)式;充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)(liu)(liu)可(ke)設定(ding)，最大充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)(liu)(liu)為(wei)1A;精電(dian)密度(du)4.2V±1%、有熱調節、欠壓鎖存及(ji)電(dian)池溫(wen)度(du)檢測、超溫(wen)保(bao)護及(ji)充(chong)電(dian)狀態和(he)溫(wen)度(du)超差(cha)指示功能;10引(yin)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(gou)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充電器為基(ji)礎，加上(shang)擴流部(bu)(bu)分及控制部(bu)(bu)分電路如圖2所示。現分別介紹其工作原理(li)。
圖2充電器(qi)電路
1擴(kuo)流部(bu)分電路
擴(kuo)流(liu)部分電路如(ru)圖3所示。它由P溝(gou)道功(gong)率MOSFET(VT)、R及RP組成的(de)分壓(ya)器(qi)、肖特基二極管D4組成。利用分壓(ya)器(qi)調節(jie)P-MOSFET的(de)-VGS大小，使獲得所需擴(kuo)流(liu)電流(liu)ID。P-MOSFET的(de)輸出特性(xing)(以Si9933DY為例)如(ru)圖4所示。在(zai)-VGS=2.1V、VDS>0.5V時(shi)，其輸出特性(xing)幾(ji)乎是(shi)一水平(ping)直線;在(zai)不同的(de)VDS時(shi)，ID是(shi)恒流(liu)。從圖4也(ye)可以看出，在(zai)-VGS增加時(shi)，ID也(ye)相應增加。
圖3括(kuo)流部分電路(lu)
圖(tu)4P-MOSFET輸出特性
2控制部分電路(lu)
控制部分電(dian)路的目的是要(yao)保持原(yuan)有的三階(jie)(jie)段充(chong)電(dian)模式，在預充(chong)電(dian)階(jie)(jie)段及恒壓充(chong)電(dian)階(jie)(jie)段不(bu)擴(kuo)流(liu)，擴(kuo)流(liu)僅在恒流(liu)階(jie)(jie)段，如圖(tu)5所示。
圖5括流電路的(de)電流表現
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比不(bu)擴(kuo)流的時間(jian)要短(圖5中的時間(jian)坐標并(bing)未按比例畫(hua));并(bing)且也可(ke)以(yi)看出：擴(kuo)流僅在恒流充電階段進行。
為保證擴(kuo)流(liu)在電(dian)池(chi)電(dian)壓3.0V開始(shi)，在電(dian)池(chi)電(dian)壓4.15V時結束，控制電(dian)路設置了窗口比較(jiao)器，在電(dian)池(chi)電(dian)壓(VBAT)為3.0～4.15V之間控制P-MOSFET導通(tong)。在此窗口電(dian)壓外，P-MOSFET截(jie)止。
在圖2中，由R5、R6及(ji)R7、R8組成兩個電(dian)壓(ya)(ya)分(fen)壓(ya)(ya)器(qi)(檢(jian)測電(dian)池的(de)電(dian)壓(ya)(ya)VBAT)，并(bing)分(fen)別將(jiang)其(qi)檢(jian)測的(de)電(dian)壓(ya)(ya)輸(shu)入(ru)比較(jiao)器(qi)P1及(ji)比較(jiao)器(qi)P2組成的(de)窗口比較(jiao)器(qi)。R3、R4分(fen)別為(wei)(wei)P1及(ji)P2的(de)上拉電(dian)阻，D2、D3為(wei)(wei)隔離二(er)極管。充(chong)電(dian)電(dian)池電(dian)壓(ya)(ya)VBAT與P1、P2的(de)輸(shu)出及(ji)P-MOSFET的(de)工作狀(zhuang)態如表1所(suo)示。
表1充電電池電壓和P-MOSFET工作狀態
從(cong)圖(tu)2可看(kan)出(chu)：P-MOSFET的(de)-VGS電壓(ya)(ya)是(shi)(shi)由(you)R2、RP往D1提供的(de)，則P-MOSFET在(zai)上電后應(ying)是(shi)(shi)一直導(dao)通(tong)(tong)的(de)。現要(yao)求在(zai)電池電壓(ya)(ya)(VBAT)小于(yu)3.0V及大于(yu)4.15V時(shi)P-MOSFET要(yao)關(guan)斷，則控(kong)制電路要(yao)在(zai)VBAT<3.0V及VBAT>4.15V時(shi)，在(zai)P-MOSFET的(de)柵極(ji)(ji)G上加上高電平，使其-VGS=0.7V，小于(yu)導(dao)通(tong)(tong)閾值電壓(ya)(ya)-VGS(th)，則P-MOSFET截止(關(guan)斷)。現由(you)P1、P2比較(jiao)器(qi)及其他(ta)元器(qi)件組成窗口比較(jiao)器(qi)實現了(le)這一控(kong)制要(yao)求：無(wu)論(lun)是(shi)(shi)P1或(huo)P2輸出(chu)高電平時(shi)，VIN通(tong)(tong)過(guo)R4或(huo)R3及D3或(huo)D2加在(zai)P-MOSFET的(de)柵極(ji)(ji)上，迫使柵極(ji)(ji)電壓(ya)(ya)為VIN=0.7V，則-VDS=0.7V而截止，滿足(zu)了(le)控(kong)制的(de)要(yao)求(見圖(tu)6)。圖(tu)中，D1、D2、D3是(shi)(shi)隔離二極(ji)(ji)管，是(shi)(shi)正(zheng)確(que)控(kong)制必不可少的(de)。
圖6窗(chuang)口(kou)比(bi)較器電路
P-MOSFET的功(gong)耗及散(san)熱
1擴流管(guan)P-MOSFET的(de)功(gong)耗計算
P-MOSFET在擴(kuo)流時的(de)功(gong)耗PD與輸出電壓VIN電池電壓VBAT、肖(xiao)特基二極管的(de)正向(xiang)壓降VF及擴(kuo)流電流ID有(you)關(guan)，其(qi)計算公式(shi)如下：
PD=VIN-(VBAT+VF)×ID(1)
其最大(da)的功耗是在VIN(max)及VBAT(min)時(shi)，即(ji)在擴流開始時(shi)(VBAT=3V)，則上式(shi)可寫成(cheng)：
PDmax=VIN(max)-(3V+VF)×ID(2)
若VIN(max)=5.2V、在(zai)ID=1A時(shi)，VF=0.4V，則PDmax=1.8W。選擇(ze)的P-MOSFET的最大允(yun)許功耗應大于計算出的最大功耗。
2P-MOSFET的散熱
貼片式功率(lv)MOSFET采(cai)用(yong)印制板的(de)(de)敷(fu)銅層來散(san)(san)(san)(san)熱(re)，即(ji)在設計印制板時(shi)要留出一定(ding)的(de)(de)散(san)(san)(san)(san)熱(re)面(mian)(mian)積(ji)。例如(ru)，采(cai)用(yong)DPAK封裝的(de)(de)MTD2955E在計算出PDmax=1.75W時(shi)，需(xu)11mm2散(san)(san)(san)(san)熱(re)面(mian)(mian)積(ji);若PDmax=3W時(shi)，需(xu)26mm2散(san)(san)(san)(san)熱(re)面(mian)(mian)積(ji)。若采(cai)用(yong)雙面(mian)(mian)敷(fu)銅板(在上(shang)(shang)下(xia)層做一些(xie)金屬化(hua)孔(kong)相互(hu)連接，利用(yong)空氣流(liu)通(tong))，則(ze)其面(mian)(mian)積(ji)可減小。若散(san)(san)(san)(san)熱(re)不好，功率(lv)MOSFET的(de)(de)溫(wen)度上(shang)(shang)升，ID的(de)(de)輸出會(hui)隨溫(wen)度增(zeng)加(jia)而上(shang)(shang)升。所以足夠的(de)(de)散(san)(san)(san)(san)熱(re)是要重視的(de)(de)，最(zui)好是實驗確定(ding)其合(he)適散(san)(san)(san)(san)熱(re)面(mian)(mian)積(ji)，使ID穩(wen)定(ding)。
這里還需(xu)要指(zhi)出的(de)(de)是(shi)，不(bu)同(tong)(tong)封(feng)裝的(de)(de)P-MOSFET，在同(tong)(tong)樣的(de)(de)最(zui)大功(gong)耗時，其(qi)散熱(re)面積是(shi)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)。例如(ru)采用SO-8封(feng)裝的(de)(de)Si99XXDY系列(lie)P-MOSFET時，封(feng)裝尺寸小、背面無金屬散熱(re)墊，其(qi)散熱(re)面積要比(bi)用DPAK封(feng)裝大得多。具體(ti)的(de)(de)散熱(re)面積由實(shi)驗確定。
兩種功率MOSFET
這里介紹兩種P-MOSFET：Si9933DY及(ji)MTD2955E。
1Si9933DY及MTD2955E的主(zhu)要參(can)數
Si9933DY及MTD2955E的主要參數見表2。
2引腳排(pai)列
Si9933DY引腳(jiao)排列如(ru)(ru)圖7所示，MTD2955E引腳(jiao)排列如(ru)(ru)圖8所示。
圖7Si9933DY引(yin)腳(jiao)排列
圖(tu)8MTD2955E引(yin)腳排列
3輸(shu)出特性
Si9933DY時(shi)可(ke)將(jiang)兩MOSFET并聯應用，使功(gong)率增加一倍，PDS(ON)減(jian)小一半(ban)。采(cai)用Si9933DY可(ke)擴流(liu)1A。采(cai)用MTD2955E可(ke)擴流(liu)2A或2A以上。
圖(tu)9Si9933DY輸出曲線
圖(tu)10MTD2955E輸出(chu)曲線
采用上(shang)述簡(jian)單的擴流(liu)電(dian)(dian)路可增加充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)到2～3A。但由于(yu)(yu)擴流(liu)管(guan)工作于(yu)(yu)線性狀態(tai)，管(guan)耗大，效率60%～70%。若(ruo)需要更(geng)大的充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)還是用開關電(dian)(dian)源，它可獲得更(geng)高的效率。