131 1300 0010
行業(yè)動態(tài)
當(dāng)前位置: 首頁>> 新聞中心>>行業(yè)動態(tài)>>
  • 導(dǎo)航欄目
  • 產(chǎn)品新聞
  • 企業(yè)新聞
  • 行業(yè)動態(tài)
  • 鋰電池的充電電路與保護(hù)電路設(shè)計
    鋰電池的充電電路與保護(hù)電路設(shè)計
  • 鋰電池的充電電路與保護(hù)電路設(shè)計
  •   發(fā)布日期: 2022-09-13  瀏覽次數(shù): 950

    首先,問一句簡單的問題,為什么很多電池都是鋰電池?

    鋰電池,工程師對它都不會感到陌生。在電子產(chǎn)品項目開發(fā)的過程中,尤其是遇到電池供電的類別項目,工程師就會和鋰電池打交道。這是因為鋰電池的電路特性決定的。眾所周知,鋰原子在化學(xué)元素周期表中排在第三位,包含3個質(zhì)子與3個電子,其中3個電子在鋰原子核內(nèi)部的分布對它的化學(xué)與物理特性起到?jīng)Q定性作用。鋰原子核外層的3個電子,只有最外層的1個電子是自由電子,另外2個電子不屬于自由電子,也就是不參與鋰原子的電子性能。

    為什么會選用鋰元素作為電池的材料呢?

    這是因為,鋰原子雖然最外層只有1個電子,但它的相對原子質(zhì)量卻僅僅只有7。換句話說,在相同的質(zhì)量密度條件下,鋰原子所帶的電能是最多的。以鋁元素為例進(jìn)行對比,可以直觀地得出結(jié)論。鋁元素,在元素周期表排在13位,最外層自由移動的電子數(shù)是3,相對原子質(zhì)量是27。也就是如果用質(zhì)量為27的鋁元素制造電池,它的電能是3;如果用相同質(zhì)量為27的鋰元素制造電池,它的電能是27*(1/7),大約為3.86。顯然,在電能方面,鋰元素的3.86是要超過鋁元素的3。這就是為什么鋰電池如此受歡迎的原因理論解釋。

    鋰電池的充電電路

    在了解完鋰電池的基本電路特性后,工程師在開發(fā)帶有鋰電池供電的項目時,就會面臨鋰電池的充電電路問題。

    鋰電池的電壓為3.0V ~ 4.2V之間變化,也就是鋰電池的最大電壓為4.2V,最小電壓為3.0V。最大電壓與最小電壓,對于鋰電池而言,隱藏著什么電路含義呢?

    最大電壓是4.2V,也就是鋰電池兩端能承受的極限電壓不超過4.2V;最小電壓為3.0V,也就是鋰電池兩端的極限放電電壓不低于3.0V。

    換言之,它的另外一層電路意義是:鋰電池在接收外界的充電電路充電,它的最后充電電壓不能高于4.2V;鋰電池在向外界負(fù)載提供工作電源,它最后消耗的電壓會停留在3.0V。

    基于此,如果工程師將常用的5V/1A或者5V/2A規(guī)格的充電器,對鋰電池進(jìn)行直接充電,這樣是否可以呢?

    顯然是不行的。為什么呢?因為無論是5V/1A或者5V/2A規(guī)格的充電器,對外輸出的充電電壓均為5V,超過了鋰電池最大的承受電壓4.2V。

    針對這兩個電壓不匹配兼容的問題,該如何去解決呢?在不改變充電器5V/1A和5V/2A規(guī)格的條件下,工程師應(yīng)當(dāng)如何去實現(xiàn)呢?

    常用的電路解決方案是TP4054充電管理芯片。TP4054充電管理芯片,是一款適合單節(jié)鋰電池的充電管理芯片,屬于恒壓恒流的線性充電類型,充電電壓固定于4.2V,充電電流最大支持800mA,并且自身的待機消耗電流只有2uA。

    cd8c596a-327f-11ed-ba43-dac502259ad0

    TP4054應(yīng)用電路圖

    在TP4054充電管理芯片應(yīng)用電路圖中,工程師可以很清楚地觀察到,整個電路設(shè)計的方案非常簡潔,外圍電路只有幾個電阻電容LED燈,省去了外置的MOS管,與此同時也節(jié)約了設(shè)計的BOM表成本。

    Pin 1引腳CHRG:TP4054芯片的充電狀態(tài)指示功能。在充電的過程中,連接的LED為亮,充電充滿的時候,連接的LED為滅;

    Pin 2引腳GND:TP4054芯片的參考地,屬于電路的公共端;

    Pin 3引腳BAT:TP4054芯片的充電輸出端,直接連接到單節(jié)鋰電池的正極;

    Pin 4引腳VCC:TP4054芯片的電源輸入端,也是單節(jié)鋰電池的充電輸入接口,電壓工作范圍為4.5V~6.5V,正好滿足5V/1A和5V/2A規(guī)格的充電器輸出電壓;

    Pin 5引腳PROG:TP4054芯片的充電電流設(shè)置功能,選擇不同的阻值R1,就可以設(shè)定不同的充電電流I;

    具體的對應(yīng)關(guān)系為:(1)在充電電流I 設(shè)定不大于0.15A時,R1 = 1000 / I;(2)在充電電流I 設(shè)定大于0.15A時,R1 = 1000 / I *(1.2- 4 * I /3)。舉例說明,當(dāng)充電的電流設(shè)定為0.1A,R1電阻的阻值就被選定為了10K;當(dāng)充電的電流設(shè)定為0.5A,R1電阻的阻值就被選定為了1K。

    至此,是不是以為TP4054芯片的電路解決方案,很完美地解決了單節(jié)鋰電池充電的問題了。它不僅完成了鋰電池的充電功能,還擁有充電狀態(tài)指示燈功能,并且還可以設(shè)定充電的電流大小。非也。在實際開發(fā)電路項目的過程中,發(fā)現(xiàn)TP4054芯片,它不具有在鋰電池充滿的時候自動斷電功能;沒有自動斷電功能,引發(fā)的后果是在沒有被切斷充電器的電源時,鋰電池是一直被TP4054芯片在充電的。這也是TP4054芯片的一個小小的不足之處。TP4054芯片之所以有充電LED指示功能,就是用LED亮滅的變換提醒用戶,該手動切斷電源了,不然就是一直在充電哦。

    鋰電池的保護(hù)電路

    說完鋰電池的充電電路,接下來就要講講它的放電電路了。充電是從外界吸收電能,放電是向外界(負(fù)載)提供電能,這就是電池的使命。

    鋰電池的放電過程,其實就是等效于電容的放電過程。電容兩端連接電阻負(fù)載,形成一個簡單的工作回路,如果外界不加以干涉,電容存儲的電量就會被一直消耗,直到電量為零。

    cdcc47dc-327f-11ed-ba43-dac502259ad0

    顯然這樣的放電過程,對于鋰電池是完全不能接受的。鋰電池的電量放電為零,就等同于鋰電池兩端的電壓為零, 電池電量Q = 電池電容C * 電池電壓U;

    因為鋰電池的電壓范圍是維持在3.0V ~ 4.2V,不能為零。如果鋰電池電壓由于負(fù)載的消耗變?yōu)榱悖囯姵氐膲勖鼤尸F(xiàn)指數(shù)級衰減。

    這就是引入鋰電池保護(hù)電路的原因。

    理論雖如此,實際項目開發(fā)中該具體怎么操作呢?什么方案可以解決呢?

    DW01芯片與8205 MOS管的電路設(shè)計方案就能較好地勝任。

    cddbb514-327f-11ed-ba43-dac502259ad0

    DW01芯片與8205 MOS管應(yīng)用電路

    在DW01芯片與8205 MOS管應(yīng)用電路圖中,BATT+屬于鋰電池放電的正極,BATT-屬于鋰電池放電的負(fù)極。

    Pin 1引腳 OD:DW01芯片的放電回路控制引腳,也就是控制M1MOS管的導(dǎo)通與關(guān)閉;

    Pin 2引腳 CS:DW01芯片的放電(充電)電流控制引腳,通過此引腳的設(shè)置,可以選擇放電(充電)的最大電流值;

    Pin 3引腳 OC:DW01芯片的充電回路控制引腳,也就是控制M2 MOS管的導(dǎo)通與關(guān)閉;

    Pin 4引腳 TD:DW01芯片的時間延長設(shè)置引腳,設(shè)定芯片的反應(yīng)時間;

    Pin 5引腳 VCC:DW01芯片的工作電源輸入引腳,一般是通過一個電阻連接;

    Pin 6引腳 GND:DW01芯片的參考地引腳,作為公共地;

    其中,8205是N溝道的雙MOS管,就是對應(yīng)到電路圖中的兩個MOS管。

    在鋰電池對外界放電的過程中,DW01芯片OD引腳控制M1 MOS管導(dǎo)通,OC引腳控制M2 MOS管關(guān)閉,此時鋰電池、M1 MOS管和 M2 MOS管內(nèi)部下面的二極管組成一個放電回路;

    兩個重要參數(shù)不得不提,其一是鋰電池的放電電壓,其二是鋰電池的放電電流,它們是鋰電池保護(hù)電路的核心。

    瀏覽DW01芯片的數(shù)據(jù)手冊,得知:

    cde90e6c-327f-11ed-ba43-dac502259ad0

    DW01芯片參數(shù)放電保護(hù)電壓3.0V±0.1,放電電流檢測電壓150mV±30;

    DW01芯片的放電保護(hù)電壓3.0V,正好與單節(jié)鋰電池的最低放電電壓3.0V吻合,似乎是天造地設(shè)的一對~~~

    現(xiàn)在是否明白了為什么DW01芯片能對鋰電池放電起到保護(hù)的作用了吧。

    還有一個保護(hù)的參數(shù)放電電流,這個參數(shù)工程師怎么去設(shè)定呢?要想根據(jù)實際的項目需求,設(shè)定鋰電池的放電電流,關(guān)鍵在于理解DW01芯片的應(yīng)用電路本質(zhì)。

    cdf8822a-327f-11ed-ba43-dac502259ad0

    DW01芯片內(nèi)部電路圖DW01芯片Pin 2引腳CS,內(nèi)部電路連接的是一個比較器,因此在鋰電池對外放電時,引腳CS兩端的電壓如果被檢測到超過150mV,那么就會通過關(guān)閉8205 MOS管而關(guān)閉鋰電池對外放電的回路,也就起到了過流保護(hù)功能。

    剩下的問題就是引腳CS兩端的電壓150mV與鋰電池放電的電流量化大小關(guān)系了?

    還是回到DW01芯片與8205 MOS管應(yīng)用電路圖中,鋰電池、M1 MOS管和 M2 MOS管內(nèi)部下面的二極管構(gòu)成一個完整的放電電路。

    由于M1 MOS管的一端是連接鋰電池的負(fù)極GND,另外一端是連接DW01芯片的引腳CS,而DW01芯片的引腳CS檢測保護(hù)電壓是150mV,等同于M1 MOS管的兩端保護(hù)電壓是150mV;

    再接著瀏覽8205 MOS管的數(shù)據(jù)手冊,查看它的內(nèi)部導(dǎo)通電阻是小于37mΩ

    ce09f8f2-327f-11ed-ba43-dac502259ad0

    8205 MOS管參數(shù)DW01芯片的放電保護(hù)電流等于什么?等于引腳CS檢測保護(hù)電壓150mV 除以 8205 MOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻 (小于37mΩ),也就是大約為5A。

    鋰電池的總結(jié)

    講述完鋰電池的充電電路原理,工程師可以選用TP4054芯片開發(fā)設(shè)計出鋰電池的充電方案;講述完鋰電池的保護(hù)電路原理,工程師可以選用DW01芯片與8205 MOS管開發(fā)設(shè)計出鋰電池的保護(hù)電路方案;充電方案與保護(hù)方案,二者不是獨立的,是互相依賴,共同才能組成一個完整的鋰電池充放電管理設(shè)計方案。將TP4054應(yīng)用電路圖中的Pin 3引腳BAT電池正極與電池負(fù)極,連接到DW01芯片與8205 MOS管應(yīng)用電路中的BATT+與BATT-,這樣就構(gòu)成了一個功能完好的鋰電池充放電管理電路設(shè)計方案。

    PS:TP4054確實很低成本,但是真的對電池不友好,推薦使用CN3165,比較全能。


  • ·上一篇:
    ·下一篇:
  • 其他關(guān)聯(lián)資訊
    深圳市日月辰科技有限公司
    地址:深圳市寶安區(qū)松崗鎮(zhèn)潭頭第二工業(yè)城A區(qū)27棟3樓
    電話:0755-2955 6626
    傳真:0755-2978 1585
    手機:131 1300 0010
    郵箱:hu@szryc.com

    深圳市日月辰科技有限公司 版權(quán)所有:Copyright?2010-2023 m.elibeatofitness.com 電話:13113000010 粵ICP備2021111333號