锂电池充电电路设计技巧

2019-06-29

锂离子电池以其优良的特性,被广泛应用于: 手机、摄录像机、笔记本电脑、无绳电话、电动工具、遥控或电动玩具、照相机等便携式电子设备中。

一、锂电池与镍镉、镍氢可充电池:

锂离子电池的负极为石墨晶体,正极通常为二氧化锂。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时,锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以,在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现,而不是以金属锂的形态出现。因而这种电池叫做锂离子电池,简称锂电池。

锂电池具有:体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点,但价格较贵。镍镉电池因容量低,自放电严重,且对环境有污染,正逐步被淘汰。镍氢电池具有较高的性能价格比,且不污染环境,但单体电压只有1.2V,因而在使用范围上受到限制。

二、锂电池的特点:

1、具有更高的重量能量比、体积能量比;

2、电压高,单节锂电池电压为3.6V,等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压; 来源:大比特半导体器件网

3、自放电小可长时间存放,这是该电池最突出的优越性;

4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应,所以锂电池充电前无需放电;

5、寿命长。正常工作条件下,锂电池充/放电循环次数远大于500次; 6、可以快速充电。锂电池通常可以采用0.5~1倍容量的电流充电,使充电时间缩短至1~2小时; 来源:大比特半导体器件网

7、可以随意并联使用;

8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素,对环境无污染,是当代最先进的绿色电池;

9、成本高。与其它可充电池相比,锂电池价格较贵。

三、锂电池的内部结构 :

锂电池通常有两种外型:圆柱型和长方型。

电池内部采用螺旋绕制结构,用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子收wwwdafacasino极及由铝薄膜组成的电流收wwwdafacasino极。负极由片状碳材料组成的锂离子收wwwdafacasino极和铜薄膜组成的电流收wwwdafacasino极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件,以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。来源:大比特半导体器件网

单节锂电池的电压为3.6V,容量也不可能无限大,因此,常常将单节锂电池进行串、并联处理,以满足不同场合的要求。

四、锂电池的充放电要求;

1、锂电池的充电:根据锂电池的结构特性,最高充电终止电压应为4.2V,不能过充,否则会因正极的锂离子拿走太多,而使电池报废。其充放电要求较高,可采用专用的恒流、恒压充电器进行充电。通常恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电,当恒压充电电流降至100mA以内时,应停止充电。

充电电流(mA)=0.1~1.5倍电池容量(如1350mAh的电池,其充电电流可控制在135~2025mA之间)。常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右,充电时间约为2~3小时。来源:大比特半导体器件网

2、锂电池的放电:因锂电池的内部结构所致,放电时锂离子不能全部移向正极,必须保留一部分锂离子在负极,以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则,电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子,就要严格限制放电终止最低电压,也就是说锂电池不能过放电。放电终止电压通常为3.0V/节,最低不能低于2.5V/节。电池放电时间长短与电池容量、放电电流大小有关。电池放电时间(小时)=电池容量/放电电流。锂电池放电电流(mA)不应超过电池容量的3倍。(如1000mAH电池,则放电电流应严格控制在3A以内)否则会使电池损坏。

目前市场上所售锂电池组内部均封有配套的充放电保护板。只要控制好外部的充放电电流即可。

一。锂电池供电电路设计方案汇总(锂电池的保护电路)

锂电池的保护电路:

两节锂电池的充放电保护电路如图一所示。由两个场效应管和专用保护wwwdafacasino成块S--8232组成,过充电控制管FET2和过放电控制管FET1串联于电路,由保护IC监视电池电压并进行控制,当电池电压上升至4.2V时,过充电保护管FET1截止,停止充电。为防止误动作,一般在外电路加有延时电容。当电池处于放电状态下,电池电压降至2.55V时,过放电控制管FET1截止,停止向负载供电。过电流保护是在当负载上有较大电流流过时,控制FET1使其截止,停止向负载放电,目的是为了保护电池和场效应管。过电流检测是利用场效应管的导通电阻作为检测电阻,监视它的电压降,当电压降超过设定值时就停止放电。在电路中一般还加有延时电路,以区分浪涌电流和短路电流。该电路功能完善,性能可靠,但专业性强,且专用wwwdafacasino成块不易购买,业余爱好者不易仿制。

  锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

简易充电电路:

现在有不少商家出售不带充电板的单节锂电池。其性能优越,价格低廉,可用于自制产品及锂电池组的维修代换,因而深受广大电子爱好者喜爱。有兴趣的读者可参照图二制作一块充电板。其原理是:采用恒定电压给电池充电,确保不会过充。输入直流电压高于所充电池电压3伏即可。R1、Q1、W1、TL431组成精密可调稳压电路,Q2、W2、R2构成可调恒流电路,Q3、R3、R4、R5、LED为充电指示电路。随着被充电池电压的上升,充电电流将逐渐减小,待电池充满后R4上的压降将降低,从而使Q3截止, LED将熄灭,为保证电池能够充足,请在指示灯熄灭后继续充1—2小时。使用时请给Q2、Q3装上合适的散热器。本电路的优点是:制作简单,元器件易购,充电安全,显示直观,并且不会损坏电池。通过改变W1可以对多节串联锂电池充电,改变W2可以对充电电流进行大范围调节。缺点是:无过放电控制电路。图三是该充电板的印制板图(从元件面看的透视图)。

  锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

单节锂电池的应用举例

1、 作电池组维修代换品

有许多电池组:如笔记本电脑上用的那种,经维修发现,此电池组损坏时仅是个别电池有问题。可以选用合适的单节锂电池进行更换。

2、 制作高亮微型电筒

笔者曾用单节3.6V1.6AH锂电池配合一个白色超高亮度发光管做成一只微型电筒,使用方便,小巧美观。而且由于电池容量大,平均每晚使用半小时,至今已用两个多月仍无需充电。电路如图四所示。

锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

3、代替3V电源

由于单节锂电池电压为3.6V。因此仅需一节锂电池便可代替两节普通电池,给收音机、随身听、照相机等小家电产品供电,不仅重量轻,而且连续使用时间长。

二。锂电池供电电路设计方案汇总(4056锂电池供电方案)

这里介绍一种基于4056的单节锂电池的充电方案,并通过简单外围电路实现过充过放保护,电源自动切换和硬件开关机。

1、4056充电方案

锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

图1中4脚为电源输入引脚,8脚为使能引脚,高电平有效(因此直接接到电源);7脚和6脚,功能分别为充电状态指示和充电完成指示,这两个引脚内部结构均为漏极开漏输出,当它们导通时,对应连接的LED就会通过引脚内部的MOS管形成通路,使LED点亮。正常充电情况下,7脚导通,红灯亮,6脚截止,绿灯灭。充电完成后,7脚和6脚间的逻辑翻转,绿灯亮,红灯灭;5脚为电池正极连接端,芯片通过该引脚对电池进行充电;1脚为温度保护信号输入端,其基本原理为,通过电池内部的NTC(负温度系数热敏电阻,随着温度升高而阻值降低,温度降低而阻值升高)与外部的电阻分压后输入TEMP引脚,当该电压值低于输入电压45%和高于输入电压的80%,充电将被暂停,如果不使用温度检测功能,则可以将该引脚直接接地。2脚为充电电压编程引脚

其中:

锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

BAT为充电电流

VPROG为编程电压(在预充阶段为0.1V,恒流充阶段为1V)

RPROG为编程电阻,通过Vprog引脚链接到地

例如,如果RPROG = 1200Ω,则预充阶段充电电流为:

0.1/1200*1200=0.1A

恒流阶段充电电流为

1/1200*1200=1A

到此TP4056芯片功能介绍完毕,更加详细的资料可下载其数据手册进行详细了解。

2、过放及过充保护

过充和过放保护,从字面意思理解即可,就是避免电池过度放电和过度充电。一般来说,锂电池厂家都会有内置保护电路板,对电池进行过充和过放的保护,这种情况下,wwwdafacasino直接使用TP4056即可;下面将要介绍的使用是没有内置保护板的锂电池而采用的保护方案。

在众多保护方案中,DW01加MOS管为最常见的方案,电路如下

锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

正常状态下,M1,M2均导通,

过充状态下,M2截止,充电回路切断,过放状态下,M1截止,放电回路切断,两种状态实现对电池的过充过放保护;

基于DW01加两个MOS的方案,厂商还推出了内部wwwdafacasino成MOS的DW06,相比较而言,DW06外部电路更简单电路图如下

锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

3、自动电源切换

该电源切换电路选自于TP4056的数据手册中,下面分析其工作原理

锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

在只有VCC-BAT供电的情况下,由于MOS管Q3的G极被R1拉低到地,则MOS导通,VCC-BAT通过Q3向后级供电;

当USB电源VCC-USB插入后,Q3的G极变为高电平,使Q3截止,VCC-USB通过D1向后级供电;

USB拔除后,Q3导通,供电状态恢复为VCC-BAT供电。

4、硬件开关机电路

一般来说,为了实现对系统的硬件电源切断,会使用直接的机械开关进行控制电源的通断。但是由于机械开关存在着体积较大(不利于小型化设计),且由于磨损导致寿命较短等缺点,按键开关越来越多的被使用,下面介绍一种比较简单的实现电路:

锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

如上图所示

关机状态:由于Q1被R1钳位到高电平,Q1截止,VCC不能向后级供电

开机:长按S2,D2导通,使Q1的G极拉低而导通,VCC通过Q1向后级VCC-SYS供电;VCC-SYS连接MCU电源,MCU通电复位后开始工作,通过控制连接到MCU上面I/O的Power-On,使其为高电平,此时Q2导通,使Q1的G极变为低电平,松开按键S2,只要Power-On引脚电平保持为高电平,系统供电正常供电;

关机流程:开机状态下,长按下S2,MCU通过D2,检测到低电平,累计一定时间后,判定为关机动作,将Power-ON引脚输出低电平,Q1截止,系统断电;

上面所述的电路,可实现系统的硬关机。

上面提到的四个电路,可根据实际情况进行组合调整,应用于电路之中。

三。锂电池供电电路设计方案汇总(硬开关电路设计实例)

硬开关电路是将2节7号电池的串联电压通过DC/DC转换器MAX756转换成3.3 V的电压,电路图如图1所示。如果不经升压电路而直接由电池供电,那么因电池端产生的电压存在一个由高到低的下降过程。2节新电池的串联电压在3 V以上,随着能量的耗尽,会下降到2V以下,导致机器无法正常工作。JM2按键为开/关机键,在按动JM2时,由于按键的抖动,会产生误动作。由R20,C13,R21,R22,R23,V9构成的充放电回路,作用是通过适当地选择R20,C13,R21的值,使充放电回路的充电时间与放电时间都大于键抖动时间,从而有效地消除键的抖动。V9wwwdafacasino电极输出的按键脉冲经去抖后,再通过U25 (74HC14)三个带施密特触发器的反相器进一步滤波整形,产生波形完整的单脉冲。由该脉冲触发U24A(74HC74 D触发器)的翻转。

锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

图1中:

①若U24A的5脚Q端输出高电平,则6脚Q端输出低电平,该低电平输入到MAX756的1脚禁止端(低电平有效)。此时MAX756处于关断状态,但由于DC/DC转换电路中的脉冲整流管V5的存在,电池电压仍然经V5到达DC/DC的输出端6脚。因此,在电路中还必须加一个晶体管V11作为开关元件。在U24A的6脚Q端输出低电平使MAX756处于禁止状态时,U24A的5脚Q端输出高电平使晶体管V11处于截止状态,从而使电池到主电路的电源VCC的通路处于彻底关断状态,机器处于关机状态,并且关机时整机电流为最小,经测量不超过5uA.

②当按键脉冲触发U24A(74HC74 D触发器)翻转,U24A的5脚Q端输出低电平,6脚Q端输出高电平时,MAX756处于工作状态,因输出电压控制端2脚为高电平,所以输出+3.3 V的电压。同时,U24A的5脚Q端输出低电平促使晶体管V11处于导通状态,这样MAX756输出可为主电路提供工作电源,机器处于开机状态。

在开机状态下,单片机的输出SWPW保持为低电平。当单片机将SWPW输出改为高电平时,通过V10构成的反相电路输出低电平,使U24A置1端有效,U24A的5脚Q端输出高电平,6脚Q端输出低电平,机器将被关机,所以SWPW可作为“自动关机”信号。由于在单片机上电复位时1/O口输出为高电平,复位时的SWPW高电平会引起“复位误关机”现象。为防止这种现象的发生,在SWPW输出电路中加了由R25,C14构成的充电回路,适当选择R25,C14的取值,复位后在R25,C14充电回路未充到V10导通的阀值电平0.7 V之前将SWPW置为低电平,便可避免“复位误关机”现象。

MAX756的5脚LBI是电池低电压的检测引脚,如果该引脚上的电压下降到内部参考基准电压1.25 V以下,MAX756的4脚LBO(漏极开路型输出)便会输出低电平,可作为电池低压报警信号。报警电压点的设定依据有两个。

①国标要求电池终止电压为0.9 V.经过实际测量,当2节7号电池的串联电压降到2V以下时,电池能量即将耗尽,已不能维持产品持续稳定工作。因此将电池低压检测报警点设定在2 V.

之所以称该电路为硬开关电路,主要原因在于按下JM2便可实现开关机,无须再由单片机来辅助。SWPW的作用是实现定时自动关机。接下来讲的电池供电电路在按键控制开关机时必须有单片机来辅助才行。

四。锂电池供电电路设计方案汇总(软开关电路设计实例)

在图2所示的电源管理电路中,采用了日本理光公司的RN5RK331A DC/DC转换器,将电池提供的电压变换为3.3 V的电压后再供给主电路,保证在电池的整个寿命周期内机器都能稳定工作。

锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

该电路的开/关机的过程分为这样两种情况:

①在关机状态下,JM16键作为开机键使用。按下JM16,电池电压经V1到达V5的基极,促使V5和V7导通;电池电压经V7到DC/DC转换器RN5RK331A的输入端和使能端,DC/DC转换器开始工作,向主电路输出3.3 V电源。支付密码器进入开机状态后,再由单片机的P3.6输出低电平并经反相后通过V2使V5和V7保持导通状态,这样即使JM16键松开后,支付密码器也能维持开机状态,P3.6输出低电平起到开机自保的作用。

②在开机状态下,JM16键作为关机键使用。未按下JM16键时,SWH信号点为低电平。按下JM16键,SWH信号点为高电平,这一信号变化通过键盘接口被单片机读取;在开机时检测到JM16的闭合,可确定为关机命令;等到JM16键松开后,单片机的P3.6输出高电平并经反相后通过V2使V5和V7变为截止状态,支付密码器因为没有电源供给而关机。在该供电电路中晶体管V7是电池供电的开关元件,将它设在DC/DC转换电路的前面,关机时将DC/DC转换器的供电回路完全切断,进一步减小了关机时的漏电流。整机关机后,经检测,关机电流小于5uA.图2中的电池低电压检测报警由日本理光公司的RN5VT20CA(U9)实现,检测电压为固定值2V.

与图1相比较,用JM16键开机后,还必须利用单片机P3.6输出低电平实现开机自保,因此称该电路为“软开关电路”。使用该软开关电路的优点是无须考虑按键去抖动问题,硬件电路简单,可降低硬件成本,节约印制板板面,在手持式产品中印制板板面是非常宝贵的(元器件的数量直接影响印制板的大小和产品整体外观)。缺点是当受到外界强信号干扰或由于电池电量不足而引起死机时,按键JM16将不起作用,必须取出电池,再重新装入方能解决死机现象。当然这种情况出现的机率极低,且因电池电量不足而引起死机时,就需要更换电池了。而图1的硬开关电路中,当碰到死机现象时,无需触摸电池,通过按键JM2就能实现开机和关机。

电源滤波

在以上介绍的DC/DC转换电路中,采用的是DC/DC升压转换器件,升压型DC/DC转换器的电路结构如图3所示。

锂电池供电电路设计方案汇总(四款设计方案)

开关K导通时电池BT给电感L充电,在L中以场的形式储存能量1/(2L×I2)。其中,I为电感电流。K断开后,L中的磁能又以电能的形式释放给滤波电容C2和负载RL.周期性的开关操作使电池能量源源不断地送入负载,而输出电压被转换为:

Vout = Vin/(1-δ)

式中,δ为开关占空比(导通时间占工作周期的比率)。控制电路监测输出电压并控制占空比,从而达到调节和稳定输出电压的目的。本文介绍的DC/DC升压转换器件的控制方式均为PFM(脉冲频率调制),具有较小的静态电流,轻载情况下效率较高,但纹波稍大。为保证主电路稳定工作,必须考虑对电源输出进行滤波。一般采用无源滤波电路来进行滤波,无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型,LCπ型滤波和RCπ型滤波等)。当采用电感滤波或复式电感型滤波时,需采用电感量高、体积大的电感,对手持、便携式产品并不适用,所以在负载电流较小的场合,采用RCπ型滤波,结构简单、经济,滤波效果也比较好。滤波电容的等效串联电阻《ESR)是造成输出纹波的主要因素,电容的材质应选择具有较低ESR的陶瓷电容、铝电解电容和钮电解电容,应尽量避免标准铝电解电容。采用RCn型滤波时,输出电压两端的脉动系数S=1/(Kω×C×R)。K为常数,由该公式可知,在ω值一定的情况下,R愈大,C愈大,则脉动系数愈小,也就是滤波效果就越好。R值增大时,电阻上的直流压降会增大,这样就增大了直流电源的内部损耗;若增大C的电容量,又会增大电容器的体积和重量,也不易实现,因此电容的容量一般为10-100 uF,电阻的值一般在10Ω以下。

以上介绍的两种电池供电电路,都是将电池电压转换为+3.3 V直流电压,为单片机应用系统提供工作电源的DC/ DC升压电路。这类电路主要用在由2节7号电池供电的PDA、手持终端等产品中,其他类产品(如手机、数码相机)的电池供电电路会有所不同,但工作原理基本相似。在电池供电电路的设计中,都会面临如何实现开关机、降低关机电流、减小输出电源中的纹波和干扰信号、提高转换效率等一系列问题。只有妥善地解决这些问题,才能确保产品稳定可靠地工作。本文所讲的两个实例较好地解决了这方面的问题,已经在产品中实际应用,效果良好。当然随着新器件的不断涌现,还需不断地改进和完善此类电路的设计,以提升产品的整体性能。

 

相关产品型号描述                       兼容型号       
40561A线性锂电池充电IC ESOP8TP4056 AP5056 XT2052 TP4056 CL4056
GC4054500mA 线性锂电池充电IC  SOT23-6TP4054  ME4054  CL4054
MT3608异步升压,输入电压:2-24v,输出电流:2ASOT23-6SIT3608  MT3508
XB5331A 单节锂电池保护IC  SOT23-5DW01+8205