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    鋰電池充電芯片TP4056的保護(hù)電路設(shè)計(jì)
  • 鋰電池充電芯片TP4056的保護(hù)電路設(shè)計(jì)
  •   發(fā)布日期: 2022-10-15  瀏覽次數(shù): 2,164

    TP4056是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。其底部帶有散熱片的SOP8封裝與較少的外部元件數(shù)目使得TP4056成為便攜式應(yīng)用的理想選擇。TP4056可以適合USB電源和適配器電源工作。由于采用了內(nèi)部PMOSFET架構(gòu),加上防倒充電路,所以不需要外部隔離二極管。熱反饋可對(duì)充電電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),以便在大功率操作或高環(huán)境溫度條件下對(duì)芯片溫度加以限制。充電電壓固定于4.2V,而充電電流可通過(guò)一個(gè)電阻器進(jìn)行外部設(shè)置。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10時(shí),TP4056將自動(dòng)終止充電循環(huán)。當(dāng)輸入電壓(交流適配器或USB電源)被拿掉時(shí),TP4056自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)低電流狀態(tài),將電池漏電流降至2uA以下。TP4056在有電源時(shí)也可置于停機(jī)模式,以而將供電電流降至55uA。TP4056的其他特點(diǎn)包括電池溫度檢測(cè)、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電和兩個(gè)用于指示充電、結(jié)束的LED狀態(tài)引腳。

    特點(diǎn)

    ·高達(dá)1000mA的可編程充電電流 ;

    ·無(wú)需MOSFET、檢測(cè)電阻器或隔離二極管 ;

    ·用于單節(jié)鋰離子電池、采用SOP封裝的完整線性充電器 ;

    ·恒定電流/恒定電壓操作,并具有可在無(wú)過(guò)熱危險(xiǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)充電速率最大化的熱調(diào)節(jié)功能;

    ·精度達(dá)到±1.5%的4.2V預(yù)設(shè)充電電壓;

    ·用于電池電量檢測(cè)的充電電流監(jiān)控器輸出;

    ·自動(dòng)再充電;

    ·充電狀態(tài)雙輸出、無(wú)電池和故障狀態(tài)顯示;

    ·C/10充電終止;

    ·待機(jī)模式下的供電電流為55uA;

    ·2.9V涓流充電器件版本;

    ·軟啟動(dòng)限制了浪涌電流;

    ·電池溫度監(jiān)測(cè)功能;

    ·采用8引腳SOP-PP封裝。

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    這個(gè)TP4056datasheet的原理圖還是有些不清楚的地方,所以分享下自己的原理圖。

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    見(jiàn)下:如何改變充電電流:大家可以看到原理圖上的R14,通過(guò)調(diào)節(jié) 這個(gè)電阻的大小,可以改變充電電流的大家。另附一張充電電流與R14的關(guān)系表給各位。

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    說(shuō)幾點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)候的注意事項(xiàng):

    1.TP4056的充電電流最好保持在電池容量的0.37C,也就是容量的0.37倍,比如1000mAh的電池,充電電流400mA這樣就夠了。過(guò)快的充電速度,將導(dǎo)致充電效果很差,沖完了電池電壓就掉很多。

    2.如果TP4056的輸入電壓過(guò)高,比如5.2甚至5.5V,會(huì)造成充電電流不足1000mAh,這是正常的。電壓高了,芯片發(fā)熱會(huì)自動(dòng)減少充電電流,不至于燒毀芯片。

    3.另外,芯片在工作中60攝氏度左右的發(fā)熱是正常的,畢竟它的充電電流很大。(PS:如果有條件,可以采用8*8mm的鋁散熱片+3M導(dǎo)熱貼,增加芯片散熱。

    最后,在TP4056充電電路基礎(chǔ)上增加過(guò)充電過(guò)放電保護(hù)電路,更好地保護(hù)充電電池。

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    過(guò)充電保護(hù):正常狀態(tài)下,對(duì)電池進(jìn)行充電,如果使VDD端電壓升高超過(guò)過(guò)電壓充電保護(hù)閾值VOC,且持續(xù)時(shí)間超過(guò)過(guò)電壓充電保護(hù)延遲時(shí)間tOC,則DW01F將使充電控制端COUT由高電平轉(zhuǎn)為VM端電平(低電平),從而使外接充電控制N-MOS管Q1關(guān)閉,充電回路被“切斷”,即DW01F進(jìn)入過(guò)電壓充電保護(hù)狀態(tài)。

    過(guò)放電保護(hù):正常狀態(tài)下,如果電池放電使VDD端電壓降低至過(guò)電壓放電保護(hù)閾值VOD,且持續(xù)時(shí)間超過(guò)過(guò)電壓放電保護(hù)延遲時(shí)間tOD,則DW01F將使放電控制端DOUT由高電平轉(zhuǎn)為VSS端電平( 低電平),從而使外接放電控制N-MOS管Q2 關(guān)閉, 放電回路被“切斷”,即DW01F進(jìn)入過(guò)電壓放電保護(hù)狀態(tài)。 同時(shí),VM端電壓將通過(guò)內(nèi)部電阻RVMD被上拉到VDD。

    過(guò)電流放電或電池短路保護(hù):

    正常狀態(tài)下,通過(guò)負(fù)載對(duì)電池放電DW01F電路的VM端電壓將隨放電電流的增加而升高。如果放電電流增加使 VM 端電壓超過(guò)過(guò)電流放電保護(hù)閾值VOI1,且持續(xù)時(shí)間超過(guò)過(guò)電流放電保護(hù)延遲時(shí)間TOI1,則DW01F進(jìn)入過(guò)電流放電保護(hù)狀態(tài);如果放電電流進(jìn)一步增加使VM 端電壓超過(guò)電池短路保護(hù)閾值VOI2,且持續(xù)時(shí)間超過(guò)短路延遲時(shí)間TOI2,則DW01F進(jìn)入電池短路保護(hù)狀態(tài)。DW01F處于過(guò)電流放電/電池短路保護(hù)狀態(tài)時(shí),DOUT端將由高電平轉(zhuǎn)為VSS端電平,從而使外接放電控制N-MOS管Q2關(guān)閉,放電回路被“切斷” ;同時(shí),VM端將通過(guò)內(nèi)部電阻RVMS連接到VSS,放電負(fù)載取消后,VM端電平即變?yōu)閂SS端電平。與DW01FA相接的MOS管選用的是8205A,兩個(gè)N溝道MOS管。

    參考電路如下:

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    更詳細(xì)的解釋如下:

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    (1)正常放電

    該保護(hù)板的電路如圖7所示,當(dāng)電芯電壓在2.5V~4.3V之間時(shí),DW01的①、③腳均輸出高電平(等于供電電壓),②腳電壓為0V。此時(shí)8205A內(nèi)的兩只N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2均處于導(dǎo)通狀態(tài),由于8205A的導(dǎo)通電阻很小,相當(dāng)于D、S極間直通,此時(shí)電芯的負(fù)極與保護(hù)電路的P-端相當(dāng)于直接連通,保護(hù)電路有電壓輸出,其電流回路如下:B+→P+→負(fù)載。P-→8205A的②、③腳→8205A的①腳→8205A的⑧腳→8205A的⑥、⑦腳→B-。在此電路中,8205A內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2可等效為兩只開(kāi)關(guān),當(dāng)Q1或Q2的G極電壓大于1V時(shí),開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通,D、S間內(nèi)阻很小(數(shù)十毫歐姆),相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合;當(dāng)G極電壓小于0.7V時(shí),開(kāi)關(guān)管截止,D、S極間的導(dǎo)通內(nèi)阻很大(幾兆歐姆),相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

    (2)過(guò)放電保護(hù)

    當(dāng)電芯通過(guò)外接的負(fù)載進(jìn)行放電時(shí),電芯兩端的電壓將慢慢降低,同時(shí)DW01內(nèi)部將通過(guò)電阻R1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電芯電壓,當(dāng)電芯電壓下降到2.3V(通常稱(chēng)為過(guò)放保護(hù)電壓)時(shí),DWO1認(rèn)為電芯已處于過(guò)放電狀態(tài),其①腳電壓變?yōu)?,8205A內(nèi)Q1截止,此時(shí)電芯的B-與-之間處于斷開(kāi)狀態(tài),即電芯的放電回路被切斷,電芯將停止放電。進(jìn)入過(guò)放電保護(hù)狀態(tài)后,電芯電壓會(huì)上升,若能上升到IC的門(mén)限電壓(一般為3.1V,通常稱(chēng)為過(guò)放保護(hù)恢復(fù)電壓),DW0的①腳恢復(fù)輸出高電平,8205A內(nèi)的Q1再次導(dǎo)通。

    (3)電池充電

    無(wú)論保護(hù)電路是否進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài),只要給保護(hù)電路的P+與P-端間加上充電電壓,DW0經(jīng)B一端檢測(cè)到充電電壓后,便立即從③腳輸出高電平,8205A內(nèi)的Q2導(dǎo)通,即電芯的B-保護(hù)電路的P-通,充電器對(duì)電芯充電,其電流回路如下:充電器正極→p+→B+→B-、8205A的⑥、⑦腳→8205A的⑧腳→8205A的①腳→8205A的②、③腳→P-→充電器負(fù)極。

    (4)過(guò)充電保護(hù)

    充電時(shí),當(dāng)電池通過(guò)充電器正常充電時(shí),隨著充電時(shí)間的增加,電芯兩端的電壓將逐漸升高,當(dāng)電芯電壓升高到4.4V(通常稱(chēng)為過(guò)充保護(hù)電壓)時(shí),DW01將判斷電芯已處于過(guò)充電狀態(tài),便立即使③腳電壓降為0V,8205A內(nèi)的Q2因5腳為低電平而截止,此時(shí)電芯的B一極與保護(hù)電路的P-端之間處于斷開(kāi)狀態(tài)并保持,即電芯的充電回路被切斷,停止充電。

    當(dāng)保護(hù)電路的P+與P-端接上放電負(fù)載后,雖然Q2截止,但其內(nèi)部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同,所以仍可對(duì)負(fù)載放電。當(dāng)電芯兩端電壓低于4.3V(通常稱(chēng)為過(guò)充保護(hù)恢復(fù)電壓)時(shí),DW01將退出過(guò)充電保護(hù)狀態(tài),③腳重新輸出高電平,Q2導(dǎo)通,即電芯的B-端與保護(hù)電路P-端又重新接上,電芯又能進(jìn)行正常的充放電。

    (5)過(guò)流保護(hù)

    由于MOs開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)也存在內(nèi)阻,所以有電流流過(guò)時(shí)MOs開(kāi)關(guān)管的D、S極間就會(huì)產(chǎn)生壓降,保護(hù)控制IC會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)MOs開(kāi)關(guān)管D、S極的電壓,當(dāng)電壓升到IC保護(hù)門(mén)限值(一般為0.15V,稱(chēng)為放電過(guò)流檢測(cè)電壓)時(shí),其放電保護(hù)執(zhí)行端馬上輸出低電平,放電控制MOs開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,放電回路被斷開(kāi)。

    在圖中,DW01通過(guò)接在V-端和VSS端之間的電阻R2實(shí)時(shí)檢測(cè)MOs開(kāi)關(guān)管上的壓降。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí),Q1或Q2上的壓降也必然增大,當(dāng)該壓降達(dá)到0.2V時(shí),DWO1便判斷負(fù)載電流到達(dá)了極限值,于是其①腳電壓降為0V, 8205A內(nèi)部的放電控制管Q1關(guān)閉,切斷電芯的放電回路。實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)。

    (6)過(guò)溫保護(hù)

    保護(hù)板上的T端口為過(guò)溫保護(hù)端,與用電器的CPU相連。常見(jiàn)的過(guò)溫保護(hù)電路較簡(jiǎn)單,就是在T端與P-端接一只NTC電阻(圖中的R4),該電阻緊貼電芯安裝。當(dāng)用電器長(zhǎng)時(shí)間處于大功率工作狀態(tài)時(shí)(如手機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于通話(huà)狀態(tài)),電芯溫度會(huì)上升,則NTC阻值會(huì)逐漸下降,用電器的CPU對(duì)NTC阻值進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)阻值下降到CPU設(shè)定閾值時(shí),CPU立即發(fā)出關(guān)機(jī)指令,讓電池停止對(duì)其供電,只維持很小的待機(jī)電流,從而達(dá)到保護(hù)電池的目的。

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    提示:當(dāng)保護(hù)板處于保護(hù)狀態(tài)時(shí),可以短接B-、P-端來(lái)激活保護(hù)板,這時(shí)控制芯片的充、放電保護(hù)執(zhí)行端(OC、OD)均會(huì)輸出高電平,讓MOs開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。


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