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(shi)，其充(chong)電電池的容量要求為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(wei)基礎，另外加(jia)上(shang)擴流電路(lu)及控制電路(lu)組成。
CN3056簡介(jie)
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”)。這里(li)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)(dian)(dian)壓<3V，則有小電(dian)(dian)(dian)流預充電(dian)(dian)(dian)模式(shi);充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流可(ke)設(she)定，最大充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流為(wei)1A;精(jing)電(dian)(dian)(dian)密度4.2V±1%、有熱調節、欠壓鎖存及電(dian)(dian)(dian)池溫度檢(jian)測、超(chao)溫保護及充電(dian)(dian)(dian)狀態和(he)溫度超(chao)差指示功能;10引(yin)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1由CN3056構成的(de)充電電路(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充電器為基礎，加上擴流部(bu)分(fen)及控制部(bu)分(fen)電路如(ru)圖2所示。現分(fen)別介(jie)紹其工作原(yuan)理。
圖2充(chong)電(dian)器電(dian)路(lu)
1擴流部分電路
擴流部分電(dian)路如圖(tu)3所(suo)(suo)示。它(ta)由P溝道功(gong)率MOSFET(VT)、R及RP組成的(de)分壓器(qi)、肖特基二極管D4組成。利用(yong)分壓器(qi)調節P-MOSFET的(de)-VGS大(da)小(xiao)，使獲得(de)所(suo)(suo)需(xu)擴流電(dian)流ID。P-MOSFET的(de)輸出特性(以Si9933DY為例)如圖(tu)4所(suo)(suo)示。在(zai)-VGS=2.1V、VDS>0.5V時(shi)，其輸出特性幾(ji)乎是一水平直(zhi)線(xian);在(zai)不同的(de)VDS時(shi)，ID是恒流。從圖(tu)4也(ye)可以看出，在(zai)-VGS增加時(shi)，ID也(ye)相應增加。
圖3括流部分電路
圖4P-MOSFET輸出特性(xing)
2控制(zhi)部(bu)分電路
控(kong)制部(bu)分電路的(de)(de)目的(de)(de)是(shi)要(yao)保持(chi)原有的(de)(de)三階段充電模式，在預(yu)充電階段及恒壓(ya)充電階段不擴(kuo)流(liu)，擴(kuo)流(liu)僅(jin)在恒流(liu)階段，如圖5所示。
圖5括流(liu)電路的(de)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)不擴流的(de)(de)時(shi)間要(yao)短(圖5中的(de)(de)時(shi)間坐標(biao)并未(wei)按(an)比(bi)例(li)畫);并且也可(ke)以看(kan)出：擴流僅(jin)在恒流充電(dian)階(jie)段進(jin)行。
為保(bao)證(zheng)擴流在(zai)(zai)電(dian)池電(dian)壓(ya)3.0V開始，在(zai)(zai)電(dian)池電(dian)壓(ya)4.15V時結束，控制(zhi)電(dian)路設置了窗口比(bi)較器，在(zai)(zai)電(dian)池電(dian)壓(ya)(VBAT)為3.0～4.15V之間(jian)控制(zhi)P-MOSFET導通。在(zai)(zai)此窗口電(dian)壓(ya)外，P-MOSFET截止。
在圖2中，由R5、R6及R7、R8組(zu)成(cheng)兩個電(dian)(dian)壓(ya)分壓(ya)器(檢測電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)VBAT)，并分別(bie)將其(qi)檢測的(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)輸(shu)入比(bi)較器P1及比(bi)較器P2組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)窗(chuang)口比(bi)較器。R3、R4分別(bie)為P1及P2的(de)(de)(de)上拉電(dian)(dian)阻，D2、D3為隔離二極管(guan)。充電(dian)(dian)電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓(ya)VBAT與(yu)P1、P2的(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)及P-MOSFET的(de)(de)(de)工作(zuo)狀態如表1所示。
表(biao)1充電電池電壓(ya)和(he)P-MOSFET工作狀態
從(cong)圖2可看出：P-MOSFET的(de)(de)-VGS電(dian)(dian)壓(ya)是(shi)由R2、RP往D1提供的(de)(de)，則(ze)P-MOSFET在(zai)上電(dian)(dian)后應(ying)是(shi)一(yi)直(zhi)導通的(de)(de)。現要(yao)求(qiu)在(zai)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)(VBAT)小(xiao)于3.0V及大于4.15V時P-MOSFET要(yao)關斷(duan)(duan)，則(ze)控(kong)(kong)制電(dian)(dian)路要(yao)在(zai)VBAT<3.0V及VBAT>4.15V時，在(zai)P-MOSFET的(de)(de)柵極(ji)G上加上高(gao)電(dian)(dian)平(ping)(ping)，使其(qi)-VGS=0.7V，小(xiao)于導通閾值電(dian)(dian)壓(ya)-VGS(th)，則(ze)P-MOSFET截止(關斷(duan)(duan))。現由P1、P2比(bi)較器及其(qi)他元器件組(zu)成窗口比(bi)較器實現了(le)這(zhe)一(yi)控(kong)(kong)制要(yao)求(qiu)：無(wu)論是(shi)P1或P2輸(shu)出高(gao)電(dian)(dian)平(ping)(ping)時，VIN通過R4或R3及D3或D2加在(zai)P-MOSFET的(de)(de)柵極(ji)上，迫使柵極(ji)電(dian)(dian)壓(ya)為VIN=0.7V，則(ze)-VDS=0.7V而截止，滿足了(le)控(kong)(kong)制的(de)(de)要(yao)求(qiu)(見(jian)圖6)。圖中，D1、D2、D3是(shi)隔離二極(ji)管，是(shi)正確控(kong)(kong)制必不可少的(de)(de)。
圖6窗口比(bi)較(jiao)器(qi)電路
P-MOSFET的功耗及散(san)熱
1擴流管P-MOSFET的(de)功耗計算
P-MOSFET在擴流時的功耗PD與輸出電(dian)壓(ya)VIN電(dian)池電(dian)壓(ya)VBAT、肖特基二極管的正(zheng)向壓(ya)降VF及擴流電(dian)流ID有關，其(qi)計算公(gong)式如下(xia)：
PD=VIN-(VBAT+VF)×ID(1)
其最大的功耗是在VIN(max)及VBAT(min)時，即(ji)在擴流開始時(VBAT=3V)，則上式可寫成：
PDmax=VIN(max)-(3V+VF)×ID(2)
若VIN(max)=5.2V、在ID=1A時，VF=0.4V，則(ze)PDmax=1.8W。選(xuan)擇的P-MOSFET的最大(da)(da)允許功耗應大(da)(da)于計算出的最大(da)(da)功耗。
2P-MOSFET的(de)散熱
貼片式功率(lv)MOSFET采用(yong)印制板的(de)(de)敷(fu)銅層來散(san)(san)熱，即在(zai)(zai)設計(ji)印制板時(shi)要留(liu)出(chu)一定(ding)(ding)的(de)(de)散(san)(san)熱面積。例如，采用(yong)DPAK封裝的(de)(de)MTD2955E在(zai)(zai)計(ji)算出(chu)PDmax=1.75W時(shi)，需11mm2散(san)(san)熱面積;若PDmax=3W時(shi)，需26mm2散(san)(san)熱面積。若采用(yong)雙面敷(fu)銅板(在(zai)(zai)上(shang)下層做一些金屬化孔相互(hu)連接，利用(yong)空氣流通(tong))，則其面積可減(jian)小。若散(san)(san)熱不好，功率(lv)MOSFET的(de)(de)溫度上(shang)升，ID的(de)(de)輸出(chu)會隨溫度增(zeng)加而上(shang)升。所(suo)以足夠的(de)(de)散(san)(san)熱是(shi)要重(zhong)視的(de)(de)，最好是(shi)實驗確定(ding)(ding)其合適散(san)(san)熱面積，使ID穩定(ding)(ding)。
這里(li)還需要(yao)指出(chu)的(de)(de)是，不(bu)同(tong)封(feng)裝的(de)(de)P-MOSFET，在(zai)同(tong)樣(yang)的(de)(de)最(zui)大功耗時，其散(san)熱(re)面積是不(bu)同(tong)的(de)(de)。例如采用(yong)SO-8封(feng)裝的(de)(de)Si99XXDY系列P-MOSFET時，封(feng)裝尺寸小、背(bei)面無金(jin)屬(shu)散(san)熱(re)墊(dian)，其散(san)熱(re)面積要(yao)比用(yong)DPAK封(feng)裝大得多。具體(ti)的(de)(de)散(san)熱(re)面積由(you)實驗(yan)確定。
兩種功率MOSFET
這里介紹兩種(zhong)P-MOSFET：Si9933DY及MTD2955E。
1Si9933DY及MTD2955E的(de)主(zhu)要參數
Si9933DY及MTD2955E的主要參數見表(biao)2。
2引腳排列
Si9933DY引腳排列(lie)如(ru)圖7所示，MTD2955E引腳排列(lie)如(ru)圖8所示。
圖7Si9933DY引腳排列
圖8MTD2955E引腳排列
3輸(shu)出特性
Si9933DY時可將兩MOSFET并聯應用，使功率增(zeng)加一(yi)倍，PDS(ON)減(jian)小一(yi)半。采(cai)用Si9933DY可擴(kuo)流(liu)1A。采(cai)用MTD2955E可擴(kuo)流(liu)2A或2A以上。
圖9Si9933DY輸出曲線
圖10MTD2955E輸(shu)出(chu)曲線
采用上述(shu)簡單的(de)擴流(liu)電(dian)路可(ke)增加(jia)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)到2～3A。但由于擴流(liu)管工作于線(xian)性(xing)狀態，管耗(hao)大(da)，效(xiao)(xiao)率60%～70%。若需要更大(da)的(de)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)還是(shi)用開關電(dian)源(yuan)，它可(ke)獲得更高的(de)效(xiao)(xiao)率。