基于CN3705和LM2596的鋰電池充放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)深度解析 | 壹芯微

目前，消費(fèi)電子產(chǎn)品越來越多，如智能手機(jī)、平板電腦、PSP游戲機(jī)等電子產(chǎn)品，給人們的生活工作娛樂都提供了極大的方便。然而，這些電子產(chǎn)品都有一個(gè)共性的缺點(diǎn)就是自身鋰電池的容量有限，經(jīng)常因?yàn)闆]電了，導(dǎo)致我們的電子產(chǎn)品無法使用。為了解決給電子產(chǎn)品續(xù)航問題，本文設(shè)計(jì)了一款集鋰電池充電和放電一體的電路。

1.系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。本系統(tǒng)分為三個(gè)部分(如圖1所示)：CN3705鋰電池充電電路，12V鋰電池，LM2596鋰電池放電電路。可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.鋰電池充電電路

2.1CN3705芯片簡介

CN3705為降壓模式鋰電池充電芯片，具有恒流恒壓充電方式。對(duì)于深度放電的電池，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定的恒壓充電電壓的66.7%時(shí)，CN3705采用恒流充電電流的15%對(duì)鋰電池涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流降低到外部電阻設(shè)定的值時(shí)，充電結(jié)束。芯片輸入電壓在12V到28V之間，最大工作頻率為300kHz，輸出最大電流為5。

2.2設(shè)計(jì)電路

圖2 CN3705構(gòu)成的鋰電池充電電路

圖2為CN3705構(gòu)成的鋰電池充電電路，電路結(jié)構(gòu)為buck降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。輸入電壓在14V到28V之間，電路PWM開關(guān)頻率為300kHz，最大輸出電流為1.2A，最大輸出電壓為12.6V。適合給3節(jié)串聯(lián)3.7V標(biāo)準(zhǔn)鋰電池充電。

圖2中，P溝道MOS管Q1、肖特基D2、電感L1以及電解電容C1構(gòu)成經(jīng)典的buck降壓充電電路。Q1的選擇要綜合考慮轉(zhuǎn)換效率、MOS管的功耗和最高溫度。還要考慮的因素包括導(dǎo)通電阻Rd(on)，柵極總電荷Qg，輸入電壓和最大充電電流。MOS管損耗功率計(jì)算公式如下所示：

Pd為MOS管功耗，Vbat為輸出電壓，Vcc為輸入電壓，Rd(a)為MOS在室溫下的導(dǎo)通電阻，ICH為充電電流。一般，當(dāng)輸入電壓小于20V時(shí)，MOS管的導(dǎo)通損耗大于開關(guān)損耗。所以要選擇導(dǎo)通損耗較小的MOS管。D2為肖特基二極管，二極管流過電流能力要大于充電電流，二極管的耐壓要大于最低輸入電壓。

2.3電感的選著和計(jì)算

在正常工作時(shí)，瞬態(tài)電感電流是周期性變化的。在MOS管導(dǎo)通期間，輸入電壓對(duì)電感充電，電感電流增加;在MOS管關(guān)斷期間，電感向電池放電，電感電流減小。電感的紋波電流隨著電感值的減小而增大，隨著輸入電壓的增大而增大。有如下經(jīng)驗(yàn)公式：

其中f=300kHz開關(guān)頻率，?I為電感的紋波電流。在選取電感值時(shí)，可將電感紋波電流限制在?I=0.2×ICH，最大電感紋波電流?I出現(xiàn)在輸入電壓最大值和電感最小值的情況下。經(jīng)計(jì)算電感取值。

2.4工作方式

(1)恒壓充電

如圖2所示，電池端的電壓通過電阻R2和R4構(gòu)成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)反饋到FB管腳，CN3705根據(jù)FB管腳的電壓決定充電狀態(tài)。當(dāng)FB管腳的電壓接近2.416V時(shí)，充電器進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)。在恒壓充電狀態(tài)，充電電流逐漸下降，電池電壓保持不變。恒壓充電狀態(tài)電池端對(duì)應(yīng)的的電壓為：

其中，Ib是FB管腳的偏置電流，其典型值為50nA。由于電阻R2和R4會(huì)從電池消耗一定的電流，在選取R2和R4的電阻值時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)所允許的消耗的電流選取R2R4的值，然后再根據(jù)上式分別計(jì)算R2和R4的值。這里R2和R4分別取值為510KΩ和120kΩ，得充電電壓為Vbat=12.71V

(2)恒流充電

恒流充電電流由ICH=200mV/R1決定，R1為連接于CSP管腳和BAT管腳之間的充電電流檢測(cè)電阻。R1取值為0.2Ω，所以恒流充電電流設(shè)定為ICH=1A。

(3)涓流充電

在充電狀態(tài)，如果電池電壓低于所設(shè)置的恒壓充電電壓的66.7%，即電池電壓為8.47V，充電器進(jìn)入涓流充電模式，此時(shí)充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的15%，即電流為0.15A。

(4)充電結(jié)束

在恒壓充電模式，充電電流逐漸減小當(dāng)充電電流減小到EOC管腳的電阻所設(shè)置的電流時(shí)，充電結(jié)束。充電結(jié)束電流由下式?jīng)Q定：

R5為是從EOC管腳到地之間連接的電阻，單位為歐姆。設(shè)定充電結(jié)束電流為0.1A時(shí)，計(jì)算出R5=1.3kΩ。

(5)自動(dòng)再充電

充電結(jié)束以后，如果輸入電源和電池仍然連接在充電器上，由于電池自放電或者負(fù)載的原因，電池電壓逐漸下降，當(dāng)電池電壓降低到所設(shè)置的恒壓充電電壓的91.1%時(shí)(即電壓為11.58V)，將開始新的充電周期，這樣可以保證電池的飽滿度在80%以上。

(6)溫度監(jiān)控

為了監(jiān)測(cè)電池的溫度，采用負(fù)熱敏電阻NTC(如圖2電路所示)緊貼電池。當(dāng)電池的溫度超出可以接受的范圍時(shí)，充電將被暫時(shí)停止，直到電池溫度回復(fù)到正常范圍內(nèi)。

鋰電池的充電工作溫度在0到45間，這里選取的負(fù)熱敏電阻，滿足在25時(shí)應(yīng)該為10kΩ，在上限溫度點(diǎn)時(shí)其電阻值應(yīng)該大約為3.5kΩ(約對(duì)應(yīng)50);在下限溫度點(diǎn)時(shí)其電阻值應(yīng)該大約為32kΩ(約對(duì)應(yīng)0)。

3.LM2596輸出電路

3.1LM2596簡介

LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz。此芯片還具有在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內(nèi);可以用僅80μA的待機(jī)電流，實(shí)現(xiàn)外部斷電;具有自我保護(hù)電路(一個(gè)兩級(jí)降頻限流保護(hù)和一個(gè)在異常情況下斷電的過溫完全保護(hù)電路)。

技術(shù)特點(diǎn)

●3.3V、5V、12V的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出

●可調(diào)輸出電壓范圍1.2V～37V±4%

●輸出線性好且負(fù)載可調(diào)節(jié)?

●輸出電流可高達(dá)3A??

●輸入電壓可高達(dá)40V

●采用150KHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小、效率高

●低功耗待機(jī)模式，IQ的典型值為80μA?

●TTL斷電能力

●具有過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能

●外圍電路簡單，僅需4個(gè)外接元件，且使用容易購買的標(biāo)準(zhǔn)電感

圖3 LM2596內(nèi)電路框圖

3.2輸出電路部分

LM2576有多種型號(hào)，這里選擇固定輸出5V的LM2596芯片。此電路構(gòu)成非常簡單，如電路圖4。只需要輸入電容C10、C11，肖特基二極管D3，電感L2，輸出電容C12、C13即可。

圖4 LM2576放電電路

輸入濾波電容，輸入耐壓和電流均方根是輸入電容的重要參數(shù)。當(dāng)LM2596輸入電壓為12V時(shí)，鋁電解電容的耐壓壓大于18V(1.5&TImes;Vin)。輸入電容電流的均方根為輸出負(fù)載電流的一半，為1.5A。根據(jù)圖5所示，在曲線中，680μF/35V的電解電容滿足要求。

輸出濾波電容一般選擇耐壓值為10V的電解電容既可以，為了得到輸出較小的紋波，輸出電容盡量選擇大點(diǎn)。這里選擇電容值為220uH的電解電容，輸出紋波即可在1%之內(nèi)。

圖5 電解電容耐壓值，電流均方根，電容值關(guān)系

肖特基二極管D3這里選擇5A/20V的IN5823既可以產(chǎn)生較好的效果。而且短路時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生過載。

輸出電壓占空比：D1=Vo/Vi=5/12=0.417

電感L2由公式：

計(jì)算得L2=324uH，其中Vi為輸入電壓，?I為輸出紋波電流，f為開關(guān)頻率。

小結(jié)

經(jīng)過測(cè)試此電路系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定工作，CN3705鋰電池充電電路工作效率可以達(dá)到91.0%;LM2596放電電路工作效率，當(dāng)輸出1.0A電流時(shí)工作效率可達(dá)84%，輸出電路2.1A時(shí)，電路工作效率可達(dá)82.3%，當(dāng)輸出3.0A電路時(shí)電路工作效率為79%。且輸出電壓紋波均小于2%。

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