实用的锂电池充电器 admin    18/03/26



概述

    锂聚合物电池广泛应用于日常生活中的一些小型电子产品中。如:手机、PDA等类电子产品中。这些场合要求所使用的电源的体积尽可能地小,重量尽可能地轻。这对于厂商十分重要。当然,电池还要具有充足的能量,不要求用户每天充电。将所有这些特别要求汇集在一起,甩户很快就会选定LiPo(锂聚合物电池)。当然在使用锂电池的过程中,也存在几个缺点:首先,不是所有的锂电池都能提供大的电流。它们能提供的最大电流为10C(关于参数C,请先参见附录)。当然也有个别的例外,如有的锂电池能提供达到20~30C的电流。另一个需要考虑的问题是它与其他电池不同的充电方式。此外,锂电池对于非正常的使用条件非常敏感。这种类型的电池在非正常使用条件下引起火灾或爆炸也不是完全不可能的。因此,在设计锂电池充电器时,有一些原则必须遵守。

充电方式

    在为锂电池充电时有两件事情必须注意:即额定电流和电压。厂方通常会提供以C表示的参考放电电流值,以及以安培小时为单位表示的额定容量。这个值的范围通常为1C~2C之间。此外,最大电压一定不能被超过,一般应为(取决于厂家)4.2~4.25V。所以,这里介绍的充电器实际是一个精密电源。其电流和电压都被限定所要求的范围内。

    锂电池的典型充电曲线见图1:在充电周期开始时,电流恒定,随着充电过程进行,电压逐渐增长,达到4.2V。

    从这时开始电压保持不变,而电流开始慢慢减小,而当电流降到大约0.05 C时,充电过程基本结束。这时电池已经接近充满电了,其后的充电则非常缓慢地进行。

图1  锂电池充电曲线

原理

    图2显示了这个充电器的完整结构,其中心部件是一个线性技术公司(Linear Technology)出品的放大器芯片LT1510。此芯片包含有一个带有限流和限压功能的降压转换器。因此,整个充电器电路仅仅需要添加通常所需的一半的外接元件。由于有了这个降压转换器,此充电器的效率很高,并且并不需要附加散热片。

    这个转换器仅仅需要外接一个电感器,二极管和电容等稳压电路。转换器工作于相当高的频率之下(大约200kHz)。所以使用的电感可以很小。

图2  锂电池充电器原理图

电压调整

    如下图所示:本充电器设计成为两个锂电池串联充电的电路。由于每个电池上的电压绝对不能超过4.2V,所以我们选择最大充电电压为8.2V(每片电池4.1 V),电压调节由R4、R5来完成。集成电路保证在其第5脚(OVP)上,的电压不超过2.365V。OVP脚上的电压等于:

    Vovp=Vbatt R5/(R4+R5)当电池两极间的电压为8.1 8V时,IC第5脚上的电压为2.47V。在这种情况下IC确保了电压不会进一步升高,从而通过电池的电压也不会变得太高。

    如果想把这个充电器变为能为3节串联锂电池充电的设备,我们可以很方便地调整R4上的电压,从而将IC的限制电压提高为4.1 V×3。当R4的值为1 9.6k时,此电压将被限制为1 2.39V。这相当于每节电池4.1 3V。

    如前所述,由于锂电池对于所施加的电压十分敏感。所以R4、R5必须使用误差为1%的精密电阻。这对于保证在最坏的情况下,电压也始终不会高于标准电压值1%以上,具有十分重要的意义。当然,集成电路的输出也不会绝对准确,这就是为什么我们设计将每片电池的充电电压采用4.1V,而不是4.2V。只有这样,才能够保证电池的最大电压不会被超过。

    由于使用了降压转换器,所以电路需要由高于电池充电电压几伏的电源来供电。因此在为两片串联电池充电时,需要采用1 2V电源,而为3片串联电池充电时,则电压至少需要15V。

电流调整

    流的调整,可以很方便地通过在地与IC的13脚(PROG)之间所接的龟阻来实现。而C7和R3对于稳压电路的稳定是十分必要的,不能省略掉这些元件。当开关S1开路时,由R1决定IC所能释放出的最大电流。其公式为:

     Iconst=2.465(2000/R1)

    在样机电路中,R1的值为49.9 k。这时电路的电流约为100mA。而当S1闭合时。IC看起来好象连着一个阻值等于R1、R2并联的电阻。在样机情况下,为49.9k与1 2.4k并联,结果等于一个9.93k的电阻。通过上述公式计算可得充电电流约为500mA。

    如果你希望加大充电电流,需要注意避免峰值电流大大高于预定的平均电流。这个电流要流过包括D1、D2和D3;电感线圈以及IC。此外,还必须确认电池的额定充电电流不会被超过。

充电指示器

    变换器集成电路LT1510有一个缺点是:没有一个有效的输出管脚能够指示出IC实际提供的电流量是多少。而这对于判定是否需要继续充电是有用的。为了能够测量电流,R7被接入电流回路中。通过测量R7上的电压降,从而判定IC上的输出电流。R7上的电压降由放大器IC2A进行放大,IC2B将此电压与一个固定电压2.85V相比较。借以判定电流是否已经降到确定值以下。这里所使用的测量方法可能不是非常准确,但却足以指示出充电的状态。当然,如果愿意,R7可以用一个精密电流表代替。

    IC2B的增益由跳线K2来调整。这个跳线可以选择放大器反馈电阻的阻值,从而影响放大器的增益。图上在靠近K2处标出了各阻值所对应的馈送到LED管D5上的大约的电流值。

电路装配

    下图中显示了锂电池充电器的PCB板布局设计。PCB板设计空间很充裕,所以安装元件很容易。在装配二极管和电解电容和IC时,要特别注意极性。同时,不要忘了在K2和C2之间的连线。IC2可以装在插座上。但lC1最好直接焊在板上,或者使用带有弯曲针的高质量的插座。

    插上跳线到K2上,以使LED指示灯得到所希望的电流。其值最好选择在电池的额定值的C门O比率以内。现在,电路已经准备好为电池充电了。电池接到BTl脚上。现在接上外电源到K1(注意:其电压必须与所要求的输出电压相匹配),插上电源插头。充电过程中,可以通过测量电池两极之间的电压来检查工作是否正常(两片电池最高为8.2V)。测试R7两端的电压降,可以检查充电电流(100mA时,为0.1 V)。

    如果这些都正确,就可以将电路装入外壳中。用可靠的插口来连接电源和电池,使之携带更方便。



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