新型智能鋰離子電池充電控制器LTC4007應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.引言

隨著高科技的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品不斷走向低功耗、微型化，以便于人們?cè)谏钪须S身攜帶使用。這些產(chǎn)品有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是利用電池作為供電電源，比如手機(jī)、MP4、便攜式測(cè)量設(shè)備等產(chǎn)品。電池的種類很多，當(dāng)前廣泛使用的是鋰離子電池，這種電池與傳統(tǒng)的鉛酸和鎳鎘等電池相比，具有比能量高、自放電小、工作電壓高、使用壽命長(zhǎng)、污染小等優(yōu)點(diǎn)，但鋰離子電池也有自身的缺點(diǎn)，其對(duì)充電電流、電壓、溫度等都有嚴(yán)格要求，稍不小心，就可能導(dǎo)致電池受損、報(bào)廢。

本文介紹的LTC4007EGN芯片是Linear公司新推出的一款鋰離子電池智能充電控制器，其依據(jù)鋰離子電池特性定制，具備對(duì)三節(jié)或四節(jié)鋰離子電池組進(jìn)行大電流恒流、恒壓、定時(shí)充電、過(guò)熱保護(hù)等多種功能，實(shí)際應(yīng)用表明，該控制器能對(duì)鋰電池組進(jìn)行大電流充電，同時(shí)其小型SSOP24封裝特別適合應(yīng)用于集成度高、電路板空間有限的場(chǎng)合。

2.控制器簡(jiǎn)介

LTC4007封裝如圖1所示，其具有以下性能特點(diǎn)：

(1)對(duì)3節(jié)或4節(jié)鋰離子電池組充電;

(2)轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%;

(3)輸出最大電流超過(guò)4A;

(4)充電電壓精度可達(dá)±0.8%;

(5)內(nèi)置過(guò)熱保護(hù)功能;

(6)具備交流適配器電流限制功能;

(7)充電電流輸出監(jiān)測(cè);

(8)工作狀態(tài)標(biāo)示：充電、C/10充電電流、適配器連接、電池低電壓、輸入電流限制、故障。

LTC4007是一種恒流/恒壓的鋰離子電池充電控制器，具有同步、準(zhǔn)恒定頻率、恒定關(guān)斷時(shí)間的PWM控制結(jié)構(gòu)，在使用陶瓷電容的情況下也不會(huì)產(chǎn)生聽(tīng)的見(jiàn)的噪聲。利用電流設(shè)置電阻可以將充電電流精度控制到±5%,充電電流的大小通過(guò)控制器PROG管腳輸出的電壓監(jiān)測(cè)。

充電電壓通過(guò)控制器編程管腳可以設(shè)置為3節(jié)或4節(jié)，每節(jié)電壓可設(shè)置為4.2V或4.1V.充電時(shí)間通過(guò)外部定時(shí)電阻設(shè)定。當(dāng)電池電壓低于3.9V/節(jié)時(shí)，控制器可以自動(dòng)開(kāi)始充電。

當(dāng)每節(jié)電池電壓低于2.5V時(shí)，電池電壓過(guò)低標(biāo)示警告，利用此標(biāo)示LTC4007能設(shè)計(jì)自動(dòng)涓流起始充電功能，避免損壞電池，當(dāng)充電時(shí)間達(dá)1/4總充電時(shí)間，電池仍為低電壓時(shí)停止充電，顯示故障標(biāo)示。

3.工作原理

LTC4007典型應(yīng)用原理圖如圖2所示。結(jié)合原理圖按功能對(duì)其工作原理進(jìn)行介紹。

3.1 電池充電控制

充電時(shí)，應(yīng)先連接待充電電池，然后開(kāi)啟電源進(jìn)行充電，控制器首先檢查電池電壓，當(dāng)電池電壓低于2.5V/節(jié)時(shí)，先進(jìn)行涓流充電，待電池電壓上升到2.5V以上，進(jìn)入恒流充電階段，電池電壓不斷上升，當(dāng)達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，進(jìn)入恒壓充電階段，直至充電定時(shí)時(shí)間截止。

充電過(guò)程中，控制器通過(guò)TGATE、BGATE管腳驅(qū)動(dòng)PMOS管Q1和NMOS管Q2的周期通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的充電控制。每個(gè)周期過(guò)程中，控制器首先驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟Q1,關(guān)閉Q2,外部電源對(duì)電池進(jìn)行瞬間充電，然后關(guān)閉Q1,開(kāi)啟Q2,電池進(jìn)行瞬間放電。TGATE、BGATE的電平時(shí)序圖如圖3所示。

3.2 電流設(shè)定

LTC4007能通過(guò)電阻RCL和RSENSE設(shè)定適配器的最大輸出電流(0.1V/RCL)和最大充電電流(0.1V/RSENSE)。設(shè)計(jì)常用的參數(shù)如表1和表2所示。

從表1和表2可知，圖2中適配器的最大輸出電流為3A左右，最大充電電流均為3A.

3.3 充電電壓設(shè)定

LTC4007通過(guò)管腳3C4C和CHEM設(shè)定充電電壓。管腳3C4C設(shè)定電池節(jié)數(shù)，邏輯低時(shí)，表示3節(jié);邏輯高時(shí)，表示4節(jié)。管腳CHEM設(shè)定每節(jié)電池充電電壓，邏輯低時(shí)，表示4.1V/節(jié);邏輯高時(shí)，表示4.2V/節(jié)。管腳接地時(shí)表示邏輯低，管腳懸空時(shí)表示邏輯高。表3詳細(xì)描述了不同設(shè)定下的充電電壓值VFINAL.由此可知，圖2中的充電電壓設(shè)定為16.8V.

3.4 定時(shí)時(shí)間設(shè)定

正常充電時(shí)間通過(guò)連接在管腳RT端的定時(shí)電阻RT設(shè)定，范圍為1~3小時(shí)，誤差在±15%以內(nèi)。定時(shí)時(shí)長(zhǎng)TTIMER用公式表示：

TTIMER=RT/154kΩ(小時(shí)) (1)

根據(jù)上述公式可知圖2中的定時(shí)時(shí)長(zhǎng)為2小時(shí)左右。

3.5 過(guò)熱保護(hù)

LTC4007的管腳NTC端外接一個(gè)NTC熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)，控制器內(nèi)部不斷采樣該管腳的電壓值，即熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓值來(lái)判斷電池溫度是否在安全范圍內(nèi)，圖2中由器件C7、R9、THERMISTOR熱敏電阻組成。當(dāng)電壓值超過(guò)設(shè)定的安全范圍，則充電暫停，當(dāng)電壓值恢復(fù)到安全范圍后，充電繼續(xù)。通過(guò)在DCIN和NTC管腳間接入一個(gè)電阻可以禁止過(guò)熱保護(hù)功能。

3.6 涓流充電

當(dāng)鋰離子電池電量耗盡時(shí)，直接對(duì)其進(jìn)行大電流充電容易損壞電池，需先進(jìn)行小電流充電，即涓流充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到一定值之后再進(jìn)行大電流充電。

圖2中，LTC4007能自動(dòng)對(duì)電壓小于2.5V/節(jié)的電池進(jìn)行涓流充電，充電電流為一般為1C的10%.當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池電壓小于2.5V/節(jié)時(shí)，管腳LOBAT 低電平，Q4關(guān)閉，連接在管腳PROG的電阻則增大RPROG=R6+R14,充電電流將減小，為300mA左右;當(dāng)電池電壓高于2.5V/節(jié)時(shí)，管腳LOBAT高電平，Q4短接R14,連接在管腳PROG的電阻變小，RPROG=R6,充電電流將增至3A.

4.應(yīng)用實(shí)例

實(shí)際應(yīng)用中需對(duì)4節(jié)鋰離子電池組成的電池組(4.2V/節(jié))進(jìn)行充電，充電電流大小為4A,充電時(shí)間需3小時(shí)左右。

根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)中LTC4007管腳3C4C和CHEM懸空，即充電電壓為16.8V;電阻RCL取0.025Ω，即適配器輸出電流限制在4A左右;電阻RSENSE取0.025Ω，即充電電流限制為4A;電阻RT取499K,即充電時(shí)間為3小時(shí)左右。

LTC4007控制器通過(guò)檢測(cè)電阻RSENSE兩端的電壓來(lái)控制恒流充電，因此，此處電壓檢測(cè)的準(zhǔn)確性將影響到控制器能否正常進(jìn)行充電。PCB設(shè)計(jì)中，在RSENSE兩端需采用Kelvin連接方式，如圖4所示。RSENSE接至控制器管腳CSP和BAT端，其CSP和BAT需差分走線，且走線長(zhǎng)度盡量短。

在LTC4007的PCB設(shè)計(jì)中，除上述Kelvin連接外還需注意一下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

(1)設(shè)計(jì)大電流充電時(shí)，需考慮線寬和相關(guān)芯片的散熱，尤其是MOS開(kāi)關(guān)管;

(2)電源輸入端電容盡量接近INFET管和地端，且這部分需位于電路板同一面;充電輸出端電容盡量接近電阻RSENSE;

(3)充電回路盡量短，且相關(guān)器件需位于電路板同一面;

(4)電路模擬地和信號(hào)地需分開(kāi)，最后通過(guò)0Ω電阻短接，相關(guān)元器件接地端需就近接地，同時(shí)敷地銅以改善EMI性能。

充電電路板對(duì)鋰離子電池組充電的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。鋰離子電池組初始電壓為15.2V.

5.結(jié)束語(yǔ)

單節(jié)鋰離子電池小電流充電控制器種類繁多，但多節(jié)鋰離子電池組大電流充電的智能控制器較少，Linear公司推出的LTC4007智能充電控制器具有封裝小，能根據(jù)設(shè)計(jì)需求設(shè)定充電電壓、充電電流，同時(shí)具備限流、定時(shí)、過(guò)熱保護(hù)的功能，其提供的各種狀態(tài)標(biāo)示接口，能滿足擴(kuò)展設(shè)計(jì)的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，以LTC4007控制器為核心設(shè)計(jì)的充電器能對(duì)4節(jié)鋰電池組成的電池組進(jìn)行4A大電流，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)需求。