新颖而简单的锂电池充电器方案

2万 · 2014-3-19 00:17

随着手机、MP3、PMP、DC/DV等手持电子产品越来越大众化，锂金属(Li)和锂离子(Li+)电池使用越来越普遍，而配用的充电器无论是市售的15元手机充电器还是较高档的DC/DV兼容充电器，绝大部分是采用LM324组成的充电电压检测和控制线路，这些线路无论从控制精度还是功能方面都不能满足锂电池充电特性的要求，直接导致电池充不满，电池寿命减短以及越来越多的电池损坏、爆炸等案例发生。而如果采用国外专用IC来设计，则其极其高昂的成本实在令人无法接受。
有鉴于此，笔者在此介绍两款由国产新型IC组成的锂电池充电器，在大致相当的总体成本下提供了远远超过LM324方案的性能，具有极高的新颖性和市场前景。
PT7M7433T是上海百利通公司最新设计的极高精度的一系列电压检测器的其中一款，其检测精度在0－Vcc (5.5V)范围内小于1mV，而且其批量IC的检测值偏差<±2.5%，这样完全保证了批量产品的性能一致性和极高的总体性能，我们利用其配合少量外部电路即可组成相当简单的锂电池充电线路。
该IC的内部框图和简单介绍如下：

该IC的内部框图和简单介绍如下：（图一）

2万 · 2014-3-19 00:17

IC内含一个高精度的615mV基准电压源、两个比较器、一个RS触发器和其它一些逻辑电路，其大致功能是：VCC电压或其它待检测电压通过R1-R3组成的分压网络接在IC的LTHIN /HTHIN检测引脚，当待测电压下降导致LTHIN引脚低于615mV时，输出脚LBO输出低电平，而如果待测电压上升导致HTHIN引脚高于615 mV时，经过内部逻辑判断和简单延时后，输出脚LBO输出高电平。
利用这个IC装制的充电器电路如下（图二）

2万 · 2014-3-19 00:17

2万 · 2014-3-19 00:18

其工作流程大致是：当接上Li+电池和供电电源时，IC通过R1/R2/R3组成的网络检测电池电压，如果电池电压低于3.3V(由R1-R3的电阻值决定),或者按下按制SW1，此时IC3脚的电压低于615mV，则IC4脚输出低电平，通过R5/D2拉低Q1的栅极使之导通，从而通过Q1/R9/D1给电池进行大电流充电，当电池电压一路上升直至超过4.20V,此时IC的1脚电压高过615mV,IC内部经简单判断和延时，令4脚输出高电平，从而关闭大电流充电通道，但是4脚的高电平同时给R7/C2的充电回路供电，令到Q3的栅极电压慢慢升高，并给R8提供通路导致Q2导通，通过R10给Q1提供一个较弱的导通电流，使之微微导通，从而为电池提供一个较少的补充充电电流。按照图中所示元件参数将于大约十分钟后，由于C2的不断充电，其端电压即Q3的栅极电压不断上升直至使Q3导通，从而关闭Q2，令到整个充电过程结束。
上面的方案还存在一些不足之处，例如检测精度由外接电阻R1/R2/R3的精度决定，对于过放电的电池（电池端电压低于2.8V）没有一个小电流预充的过程，另外该方案的10分钟补充充电时间对于较大容量的电池来说不是太足够，因此针对上述不足之处，我们还提供一个成本稍高一点，性能更加完善的方案：（图三）

2万 · 2014-3-19 00:18

乍看之下，这个方案采用了三个IC，可是U1和U2是采用的SOT-23或者TO-92封装，就好像普通三极管一样，其价格也就是2－3个三极管的价格，而U3(PT8A2513NE)也是采用的TO-94封装，外形和三极管很相似，价钱也相当便宜，不过，这个电路可以实现智能判断电池是否过放电，决定是否在开始充电时采用小电流预充，另外，采用U3后也将充电后期的补充充电过程延长到大约一个小时！
首先让我们介绍一下该电路中几个IC的功能：

2万 · 2014-3-19 00:18

2万 · 2014-3-19 00:18

（图四）是U1/U2的内部框图，这两个IC只是内部电阻R1/R2的数值不同而已，它们的功能也很简单：当Vcc低于IC的设定值时（根据IC编号不同，内部R3/R4阻值也不同从而导致检测电压值不同，对于PT7M6128指的是2.80V），RST引脚输出低电平，反之当Vcc 高于1.05倍标称值时（例如对于PT7M6140，此数值为1.05x4.0 =4.20V）则RST引脚输出高电平。
上面电路的另外一个IC（PT8A25 13）则是一个极简单却极稳定的延时IC，其延时时间仅仅取决于 OSC脚的频率。事实上该IC就是将OSC震荡频率进行32768次分频后用来控制输出的。之所以采用这个电路而不采用LM555或者CD4060等通用IC的原因就是因为它相对而言定时精度更高（其它IC不分频），定时时间更长（可达数小时）。并且电路更加简单，采用TO-94或SOT-23-4封装，就像一个三极管一样。而价钱也跟CD4060差不多，使用效果可就好的太多了。
至此大家想必也大致了解了图三的工作流程了：接上电池和充电器，如果电池电压低于2.8V，则U1输出为低（U2输出也是低），这样R3和R4的回路都不通，只有R2回路导通，给Q1提供微弱的导通，使之输出约数毫安的电流给电池进行预充电，当电池电压上升到超过2.94V(1.05X2.8)时或者刚接上电池电压就超过2.94V时，U1输出高电平而U2继续输出低电平（电池电压还没达到4.2V J）,这时R2通路截止而R3通路导通（因为Q4导通且其源极电平为低－因U1输出拉低），从而由较小阻值的R3令Q1完全导通，提供一个数百毫安的大电流恒流充电，而当这个恒流充电过程慢慢令到被充电的Li+电池端电压上升到4.2V时，U2也输出高电平从而关闭Q4,但是它同时也给U3提供了电源导致U3开始工作，这样U3触发Q3使R4导通提供一个很小的补充充电电流，直至U3达到定时时间从而关闭Q3，这时整个充电过程才完全结束。

2万 · 2014-3-19 00:18

相比而言，第二个方案增加了前期智能判断电池状态和自动预充电过程，以及延长了末尾的补充充电过程的时间，各个阶段的充电电流可调并且补充充电时间可调（数分钟至数小时），因此该方案对锂电池充电具有更好的精确性和安全性，加上价钱便宜，功能也比较完善，相信很快会取代市面中低档的充电器特别是那些廉价的手机电池充电器。