磷酸鐵鋰電池充電器CN3059的原理應(yīng)用

磷酸鐵鋰電池是一種用磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料作電池正極、用石墨作電池負(fù)極的新型鋰離子電池。關(guān)于該電池的詳細(xì)介紹請(qǐng)參看本刊9期磷酸鐵鋰動(dòng)力電池一文。
磷酸鐵鋰電池的標(biāo)稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6±0.05V、終止放電電壓是2.0V。該電池與鋰 離子電池一樣要求恒流、恒壓充電，充電率范圍是0.2～1C。
　　上海如韻電子有限公司在自主開(kāi)發(fā)出單節(jié)鋰電子充電器芯片CN3052及CN3056后，2007年又開(kāi)發(fā)出性能更好的單節(jié)磷酸鐵鋰充電器芯片CN3058及CN3059，滿足了市場(chǎng)的需求。本文將介紹CN3059。
　　特點(diǎn)與應(yīng)用
　　CN3059是一種對(duì)單節(jié)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行恒流、恒壓充電的充電器IC。用該IC組成的充電器主要特點(diǎn)：充電電流可由一外設(shè)電阻RISET設(shè)定，最大充電電流可達(dá)1A；輸入電壓4～6V，可采用USB接口或4.5～6V輸出電壓（輸出電流1000～1500mA）的AC/DC適配器供電；充電器電路簡(jiǎn)單、外圍元器件少、成本低；對(duì)過(guò)放電（電池電壓＜2.0V）的電池有小電流預(yù)充電模式；內(nèi)部有功率器理電路，若芯片的結(jié)溫超過(guò)115℃時(shí)能自動(dòng)降低充電電流作過(guò)熱保護(hù)，使用戶可設(shè)置較大的充電電流，以提高充電效率；有兩個(gè)LED分別作充電狀態(tài)指示及充電結(jié)束指示；有輸入電壓過(guò)低（＜3.61V）時(shí)的輸出鎖存功能、自動(dòng)再充電功能、電池溫度監(jiān)測(cè)功能；采用小尺寸、散熱增強(qiáng)性的10引腳DFN封裝；充電溫度范圍0～45℃或0～65℃(由充電電池參數(shù)決定)。
　　CN3059是磷酸鐵鋰電池的專用充電器IC，但它還有一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)：外設(shè)一個(gè)電阻RVSET，它可以增加恒壓充電的輸出電壓。利用這個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)，可以組成簡(jiǎn)易的3節(jié)鎳氫電池充電器及4V鉛酸電池充電器或鋰離子電池充電器。
　　由CN3059組成的充電器適合充  0.5～4Ah的磷酸鐵鋰電池。其應(yīng)用領(lǐng)域：礦燈、LED應(yīng)急燈、警示燈；車模、船模、航模及電動(dòng)玩具；在照相機(jī)中，用3.2V磷酸鐵鋰電池替代一次性3V鋰電池（型號(hào)為CR123A），其外廓尺寸相同；通信裝置；小型醫(yī)療儀器及野外測(cè)試儀器；小型電動(dòng)工具等。另外，可采用CN3059組成充3節(jié)鎳氫電池及4V鉛酸電池的充電器等。
封裝、引腳排列及功能
　　CN3059采用散熱增強(qiáng)型10引腳小尺寸DFN封裝，其引腳排列如圖1所示，各引腳功能如表1所示。

圖1 CN3059引腳圖

主要參數(shù)
　　CN3059的極限參數(shù)：各引腳的電壓范圍為-0.3～6.5V；BAT引腳與GND短路時(shí)間可連續(xù)；靜電擊穿電壓為2kV；最高結(jié)溫為150℃；焊接溫度為300℃（10s）。
　　CN3059的電氣參數(shù)：電源輸入電壓范圍為4～6V；靜態(tài)電流典型值為650μA；低壓鎖存電壓為V_IN≤3.61V；預(yù)存電閾值電壓是電池電壓小于2.05V；恒壓充電電壓3.6V；充電結(jié)束閾值電壓（ISET端電壓）為0.22V；睡眠模式閾值電壓為V_IN－V_BAT≤20mV；睡眠模式解除閾值電壓為V_IN－V_BAT≥50mV；TEMP端高溫閾值電壓為80%V_IN，低溫閾值電壓為48% VIN。
典型應(yīng)用電路
　　采用CN3059組成磷酸鐵鋰電池充電器電路與由CN3056組成的鋰離子充電器電路相比，前者有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：①精確檢測(cè)充電電池的電壓，充電電池的終止充電電壓控制得更精確，使電池充的更滿；②采用在FB端與電池正極之間加接一個(gè)電阻R_VSET，使充電器除能充磷酸鐵鋰電池外，也可簡(jiǎn)單地組成充鉛酸電池及鎳氫電池，擴(kuò)展了充電器功能。下面分別介紹這2種典型應(yīng)用電路。
1充磷酸鐵鋰電池電路
　充電電池型號(hào)為26650，容量為2800mAH，采用1000mA恒流電充電（其充電率約0.36C），充電器電路如圖2所示。

圖2 磷酸鐵鋰電池充電電路
　　充電器采用輸出直流電壓5V、輸出電流1500mA的AC/DC適配器作電源。用紅色LED作充電狀態(tài)指示燈，用綠色LED作充電結(jié)束指示燈。設(shè)定恒流充電電流I_CH=1000mA，則R_ISET為：
R_ISET=1800V/1A=1.8kΩ  （1）
　　CIN(10μF)及COUT(10μF)是為保證充電器工作穩(wěn)定的輸入及輸出電容，可采用多層陶瓷電容器（MLCC）。
　　這里重點(diǎn)介紹精確電池電壓檢測(cè)電路。圖3是一般電池電壓檢測(cè)電路，圖4是精確電池電壓檢測(cè)電路。圖3中，BAT端外接充電電池，內(nèi)接由R1、R2組成的電阻分壓器，其中間點(diǎn)為輸入誤差放大器，根據(jù)充電電池的實(shí)際電壓來(lái)對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電、恒流充電及恒壓充電。若在恒流充電時(shí)的充電電流為I_CH、B_AT端的電壓為V_BAT，電池的電壓為V’_BAT。若BAT端到電池正極之間的金屬連接線的電阻為△R，則I_CH電流從BAT端到電池正極間的電壓降V_DROP =I_CH×△R，則V_BAT=I_CH×△R+V’_BAT (V’_BAT＜V_BAT）。充電電流越大，則V_BAT與V’_BAT的差值越大。輸入到誤差放大器的電壓是V_BAT的分壓而不是V’_BAT的分壓，因此產(chǎn)生電池實(shí)際電壓的檢測(cè)誤差。
　　再看圖4電路，BAT端向電池充電。另外，由電池正極加一條連接到FB端，將電池電壓通過(guò)R1、R2分壓器后輸入誤差放大器。

圖3 一般電池電壓檢測(cè)電路

圖4 精確電池電壓檢測(cè)電路
　　粗看起來(lái)，F(xiàn)B端、電池正極端及BAT端是同電位的。但要注意的是從BAT端流到電池正極的電流是I_CH，若連接線電阻為△R，其壓差V_DROP=I_CH×△R；而若從電池正極流入FB的電流是I_FB，連接線電阻也為△R，則V’_BAR－V_FB的壓差為I_FB×△R。因?yàn)镮_CH往往是0.xA～1A，而I_FB≈3μA ，所以V_BAT與V’_BAT的壓差較大，而V’_BAT與V_FB之間的壓差甚小（V_BAT＞V’_BAT＞V_FB），用V_FB端反饋到誤差放大器的電壓與電池的實(shí)際電壓更接近，即檢測(cè)電池電壓更精確。這一種精確測(cè)量方法也稱為開(kāi)爾文檢測(cè)法（KeLvin）。用這方法精確檢測(cè)電池電壓可使電池的終止充電電壓更精確，電池也沖的更滿。
2 充4V鉛酸電池或3節(jié)鎳氫電池或鋰離子電池的電路
　　在FB端與電池正極之間加一個(gè)R_VSET電阻，可以調(diào)節(jié)恒壓充電的電壓這一特點(diǎn)，則除充磷酸鐵鋰電池外，還可組成簡(jiǎn)易4V鉛酸電池或3節(jié)鎳氫電池充電器，電路如圖5所示。

圖5 鉛酸電池或鎳氫電池充電器電路
　　設(shè)定的終止充電電壓V_bat與R_VSET的關(guān)系為：
V_bat（V）=3.6（V）+3.04×10-6（A）×R_VSET（Ω）            （2）
　　由于這種簡(jiǎn)易充電器設(shè)定了終止充電電壓，所以在充電過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生過(guò)充電的情況，即充電是安全的。但由于不同種類的電池有各自的充電程式及終止充電的檢測(cè)方法，因此用CN3059組成的簡(jiǎn)易充電器在充滿程度上需要差一些。另外，在充3節(jié)鎳氫電池時(shí)，由于充電器沒(méi)有每節(jié)電池均壓充電的電路，所充的電池應(yīng)是同一種型號(hào)、同一公司生產(chǎn)、同一組使用的電池，否則會(huì)造成由于電池的內(nèi)阻不同而產(chǎn)生的有的電池未充滿，有的電池已過(guò)充電的情況。不同充電電池的R_VSET值如表2所示。

　　為保證終止電壓的精度，采用的R_VSET應(yīng)為1%精密電阻（E48、E96系列），溫度系數(shù)±100×10-6/℃。
圖6是一種充3.2V磷酸鐵鋰電池（S1打在下面）及充3.6V鋰離子電池（S1打在上面）的充電器電路。另外，它是恒流充電可選500mA（S2打在下面）或1000mA（S2打在上面）的充電電路。

圖6　3.2V磷酸鐵鋰電池及3.6V鋰離子電池充電器電路