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(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(wai)加上擴流電(dian)路(lu)及控制電(dian)路(lu)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(zhe)里僅作(zuo)一(yi)簡介(jie)。
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)(dian)壓<3V，則有(you)小電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)預(yu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)模式;充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)可設定，最大充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)為1A;精電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)密(mi)度4.2V±1%、有(you)熱調節、欠壓鎖(suo)存及(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池溫度檢測(ce)、超溫保(bao)護及(ji)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)狀(zhuang)態和溫度超差指示功能;10引(yin)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(cheng)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充電器為基礎(chu)，加(jia)上擴流部分及控制部分電路如(ru)圖2所示。現分別介紹其(qi)工作原理。
圖2充電(dian)器電(dian)路
1擴流部(bu)分電路
擴流(liu)部分(fen)(fen)電路(lu)如(ru)圖(tu)(tu)3所(suo)示。它由(you)P溝道功率(lv)MOSFET(VT)、R及RP組(zu)成的(de)(de)分(fen)(fen)壓(ya)器、肖特(te)基二極管D4組(zu)成。利用分(fen)(fen)壓(ya)器調節P-MOSFET的(de)(de)-VGS大小，使(shi)獲得(de)所(suo)需擴流(liu)電流(liu)ID。P-MOSFET的(de)(de)輸(shu)出(chu)特(te)性(以Si9933DY為(wei)例)如(ru)圖(tu)(tu)4所(suo)示。在(zai)(zai)-VGS=2.1V、VDS>0.5V時，其輸(shu)出(chu)特(te)性幾乎(hu)是(shi)一水(shui)平直線;在(zai)(zai)不同的(de)(de)VDS時，ID是(shi)恒流(liu)。從圖(tu)(tu)4也可(ke)以看出(chu)，在(zai)(zai)-VGS增加時，ID也相(xiang)應增加。
圖(tu)3括流(liu)部分電路(lu)
圖(tu)4P-MOSFET輸(shu)出特性
2控(kong)制部(bu)分電路
; 控制部分(fen)電路的目的是要保持原(yuan)有的三(san)階段充電模式，在預充電階段及恒壓(ya)充電階段不擴(kuo)流，擴(kuo)流僅在恒流階段，如(ru)圖(tu)5所示。
圖5括流電路的電流表現
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(bi)不擴(kuo)流的(de)(de)時間要短(duan)(圖5中的(de)(de)時間坐標(biao)并(bing)未(wei)按比(bi)例畫);并(bing)且也可以看出：擴(kuo)流僅在恒流充電階段進行。
為保證擴(kuo)流(liu)在(zai)電(dian)池電(dian)壓(ya)3.0V開始，在(zai)電(dian)池電(dian)壓(ya)4.15V時結束，控制電(dian)路設置了窗(chuang)口比較器，在(zai)電(dian)池電(dian)壓(ya)(VBAT)為3.0～4.15V之間控制P-MOSFET導通。在(zai)此窗(chuang)口電(dian)壓(ya)外，P-MOSFET截止。
在圖2中(zhong)，由R5、R6及R7、R8組(zu)成(cheng)兩個電(dian)(dian)(dian)壓(ya)分(fen)壓(ya)器(qi)(qi)(qi)(檢測電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)VBAT)，并分(fen)別將其(qi)檢測的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)輸入比(bi)較器(qi)(qi)(qi)P1及比(bi)較器(qi)(qi)(qi)P2組(zu)成(cheng)的(de)(de)窗口比(bi)較器(qi)(qi)(qi)。R3、R4分(fen)別為P1及P2的(de)(de)上拉電(dian)(dian)(dian)阻，D2、D3為隔離二極管。充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)VBAT與P1、P2的(de)(de)輸出及P-MOSFET的(de)(de)工作(zuo)狀態如表(biao)1所示。
表1充電電池電壓(ya)和P-MOSFET工作狀態
從(cong)圖2可看(kan)出(chu)：P-MOSFET的(de)-VGS電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)是(shi)由R2、RP往(wang)D1提供(gong)的(de)，則P-MOSFET在上(shang)電(dian)(dian)(dian)后應是(shi)一直導通的(de)。現(xian)要(yao)求在電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(VBAT)小于(yu)3.0V及(ji)(ji)大于(yu)4.15V時P-MOSFET要(yao)關(guan)斷，則控制(zhi)電(dian)(dian)(dian)路要(yao)在VBAT<3.0V及(ji)(ji)VBAT>4.15V時，在P-MOSFET的(de)柵極G上(shang)加上(shang)高(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)，使其-VGS=0.7V，小于(yu)導通閾值(zhi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)-VGS(th)，則P-MOSFET截(jie)止(關(guan)斷)。現(xian)由P1、P2比(bi)較器(qi)及(ji)(ji)其他(ta)元器(qi)件組成窗口比(bi)較器(qi)實現(xian)了這一控制(zhi)要(yao)求：無(wu)論是(shi)P1或P2輸出(chu)高(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)時，VIN通過R4或R3及(ji)(ji)D3或D2加在P-MOSFET的(de)柵極上(shang)，迫使柵極電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)為VIN=0.7V，則-VDS=0.7V而截(jie)止，滿足了控制(zhi)的(de)要(yao)求(見圖6)。圖中，D1、D2、D3是(shi)隔離(li)二極管，是(shi)正確控制(zhi)必不可少的(de)。
圖6窗口比(bi)較器電(dian)路
P-MOSFET的(de)功耗及散(san)熱
; 1擴流(liu)管P-MOSFET的(de)功耗(hao)計算
P-MOSFET在擴(kuo)流(liu)時的(de)功耗PD與(yu)輸出電壓(ya)VIN電池(chi)電壓(ya)VBAT、肖特基二極管的(de)正向(xiang)壓(ya)降(jiang)VF及擴(kuo)流(liu)電流(liu)ID有關，其計算公式如下：
PD=VIN-(VBAT+VF)×ID(1)
其最(zui)大的功耗是在(zai)VIN(max)及VBAT(min)時(shi)(shi)，即在(zai)擴流(liu)開始時(shi)(shi)(VBAT=3V)，則(ze)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。選擇的(de)P-MOSFET的(de)最大允許(xu)功耗應大于計算出的(de)最大功耗。
2P-MOSFET的(de)散熱
貼片式功率MOSFET采(cai)用印(yin)制(zhi)板(ban)的(de)(de)敷(fu)銅層來散(san)熱(re)，即在設計(ji)印(yin)制(zhi)板(ban)時要(yao)留出(chu)(chu)一定(ding)的(de)(de)散(san)熱(re)面(mian)(mian)(mian)(mian)積。例如(ru)，采(cai)用DPAK封裝的(de)(de)MTD2955E在計(ji)算出(chu)(chu)PDmax=1.75W時，需11mm2散(san)熱(re)面(mian)(mian)(mian)(mian)積;若PDmax=3W時，需26mm2散(san)熱(re)面(mian)(mian)(mian)(mian)積。若采(cai)用雙面(mian)(mian)(mian)(mian)敷(fu)銅板(ban)(在上(shang)下層做一些(xie)金屬(shu)化孔相(xiang)互連接，利用空(kong)氣(qi)流通)，則其面(mian)(mian)(mian)(mian)積可(ke)減(jian)小。若散(san)熱(re)不好，功率MOSFET的(de)(de)溫(wen)度上(shang)升，ID的(de)(de)輸出(chu)(chu)會(hui)隨溫(wen)度增加而(er)上(shang)升。所以足夠的(de)(de)散(san)熱(re)是要(yao)重視的(de)(de)，最好是實(shi)驗確定(ding)其合適散(san)熱(re)面(mian)(mian)(mian)(mian)積，使ID穩(wen)定(ding)。
這里還需要指出(chu)的(de)是，不同(tong)(tong)(tong)封(feng)裝的(de)P-MOSFET，在同(tong)(tong)(tong)樣的(de)最大功耗時(shi)(shi)，其散(san)(san)熱面(mian)積(ji)是不同(tong)(tong)(tong)的(de)。例如采用(yong)SO-8封(feng)裝的(de)Si99XXDY系列P-MOSFET時(shi)(shi)，封(feng)裝尺寸小、背面(mian)無金屬散(san)(san)熱墊，其散(san)(san)熱面(mian)積(ji)要比用(yong)DPAK封(feng)裝大得多。具體的(de)散(san)(san)熱面(mian)積(ji)由實驗確定。
兩(liang)種功率MOSFET
這里介紹兩種P-MOSFET：Si9933DY及MTD2955E。
1Si9933DY及MTD2955E的(de)主要參數(shu)
Si9933DY及MTD2955E的主要(yao)參數(shu)見(jian)表2。
2引腳排列
Si9933DY引腳(jiao)排列如(ru)圖7所(suo)示，MTD2955E引腳(jiao)排列如(ru)圖8所(suo)示。
圖7Si9933DY引腳排列
圖8MTD2955E引腳排列
3輸(shu)出(chu)特性(xing)
Si9933DY時可將兩MOSFET并聯(lian)應(ying)用，使功率增(zeng)加一(yi)倍，PDS(ON)減(jian)小(xiao)一(yi)半(ban)。采用Si9933DY可擴(kuo)流(liu)1A。采用MTD2955E可擴(kuo)流(liu)2A或2A以上。
圖9Si9933DY輸出曲線
圖(tu)10MTD2955E輸(shu)出曲線
采用(yong)上述簡單的擴流(liu)電(dian)路可增加充電(dian)電(dian)流(liu)到2～3A。但由于擴流(liu)管工作于線性狀態，管耗大，效率(lv)60%～70%。若需(xu)要(yao)更大的充電(dian)電(dian)流(liu)還(huan)是用(yong)開關電(dian)源(yuan)，它可獲得更高(gao)的效率(lv)。