磷酸铁锂电池充电器CN3059的原理应用

磷酸铁锂电池充电器CN3059的原理应用

磷酸铁锂电池是一种用磷酸铁锂（LiFePO4）材料作电池正极、用石墨作电池负极的新型锂离子电池。关于该电池的详细介绍请参看本刊9期磷酸铁锂动力电池一文。
磷酸铁锂电池的标称电压是3.2V、终止充电电压是3.6±0.05V、终止放电电压是2.0V。该电池与锂 离子电池一样要求恒流、恒压充电，充电率范围是0.2～1C。
　　上海如韵电子有限公司在自主开发出单节锂电子充电器芯片CN3052及CN3056后，2007年又开发出性能更好的单节磷酸铁锂充电器芯片CN3058及CN3059，满足了市场的需求。本文将介绍CN3059。
　　特点与应用
　　CN3059是一种对单节磷酸铁锂电池进行恒流、恒压充电的充电器IC。用该IC组成的充电器主要特点：充电电流可由一外设电阻RISET设定，最大充电电流可达1A；输入电压4～6V，可采用USB接口或4.5～6V输出电压（输出电流1000～1500mA）的AC/DC适配器供电；充电器电路简单、外围元器件少、成本低；对过放电（电池电压＜2.0V）的电池有小电流预充电模式；内部有功率器理电路，若芯片的结温超过115℃时能自动降低充电电流作过热保护，使用户可设置较大的充电电流，以提高充电效率；有两个LED分别作充电状态指示及充电结束指示；有输入电压过低（＜3.61V）时的输出锁存功能、自动再充电功能、电池温度监测功能；采用小尺寸、散热增强性的10引脚DFN封装；充电温度范围0～45℃或0～65℃(由充电电池参数决定)。
　　CN3059是磷酸铁锂电池的专用充电器IC，但它还有一个独特的特点：外设一个电阻RVSET，它可以增加恒压充电的输出电压。利用这个独特的特点，可以组成简易的3节镍氢电池充电器及4V铅酸电池充电器或锂离子电池充电器。
　　由CN3059组成的充电器适合充  0.5～4Ah的磷酸铁锂电池。其应用领域：矿灯、LED应急灯、警示灯；车模、船模、航模及电动玩具；在照相机中，用3.2V磷酸铁锂电池替代一次性3V锂电池（型号为CR123A），其外廓尺寸相同；通信装置；小型医疗仪器及野外测试仪器；小型电动工具等。另外，可采用CN3059组成充3节镍氢电池及4V铅酸电池的充电器等。
封装、引脚排列及功能
　　CN3059采用散热增强型10引脚小尺寸DFN封装，其引脚排列如图1所示，各引脚功能如表1所示。

图1 CN3059引脚图

主要参数
　　CN3059的极限参数：各引脚的电压范围为-0.3～6.5V；BAT引脚与GND短路时间可连续；静电击穿电压为2kV；最高结温为150℃；焊接温度为300℃（10s）。
　　CN3059的电气参数：电源输入电压范围为4～6V；静态电流典型值为650μA；低压锁存电压为V_IN≤3.61V；预存电阈值电压是电池电压小于2.05V；恒压充电电压3.6V；充电结束阈值电压（ISET端电压）为0.22V；睡眠模式阈值电压为V_IN－V_BAT≤20mV；睡眠模式解除阈值电压为V_IN－V_BAT≥50mV；TEMP端高温阈值电压为80%V_IN，低温阈值电压为48% VIN。
典型应用电路
　　采用CN3059组成磷酸铁锂电池充电器电路与由CN3056组成的锂离子充电器电路相比，前者有两个突出的优点：①精确检测充电电池的电压，充电电池的终止充电电压控制得更精确，使电池充的更满；②采用在FB端与电池正极之间加接一个电阻R_VSET，使充电器除能充磷酸铁锂电池外，也可简单地组成充铅酸电池及镍氢电池，扩展了充电器功能。下面分别介绍这2种典型应用电路。
1充磷酸铁锂电池电路
　充电电池型号为26650，容量为2800mAH，采用1000mA恒流电充电（其充电率约0.36C），充电器电路如图2所示。

图2 磷酸铁锂电池充电电路
　　充电器采用输出直流电压5V、输出电流1500mA的AC/DC适配器作电源。用红色LED作充电状态指示灯，用绿色LED作充电结束指示灯。设定恒流充电电流I_CH=1000mA，则R_ISET为：
R_ISET=1800V/1A=1.8kΩ  （1）
　　CIN(10μF)及COUT(10μF)是为保证充电器工作稳定的输入及输出电容，可采用多层陶瓷电容器（MLCC）。
　　这里重点介绍精确电池电压检测电路。图3是一般电池电压检测电路，图4是精确电池电压检测电路。图3中，BAT端外接充电电池，内接由R1、R2组成的电阻分压器，其中间点为输入误差放大器，根据充电电池的实际电压来对电池进行预充电、恒流充电及恒压充电。若在恒流充电时的充电电流为I_CH、B_AT端的电压为V_BAT，电池的电压为V’_BAT。若BAT端到电池正极之间的金属连接线的电阻为△R，则I_CH电流从BAT端到电池正极间的电压降V_DROP =I_CH×△R，则V_BAT=I_CH×△R+V’_BAT (V’_BAT＜V_BAT）。充电电流越大，则V_BAT与V’_BAT的差值越大。输入到误差放大器的电压是V_BAT的分压而不是V’_BAT的分压，因此产生电池实际电压的检测误差。
　　再看图4电路，BAT端向电池充电。另外，由电池正极加一条连接到FB端，将电池电压通过R1、R2分压器后输入误差放大器。

图3 一般电池电压检测电路

图4 精确电池电压检测电路
　　粗看起来，FB端、电池正极端及BAT端是同电位的。但要注意的是从BAT端流到电池正极的电流是I_CH，若连接线电阻为△R，其压差V_DROP=I_CH×△R；而若从电池正极流入FB的电流是I_FB，连接线电阻也为△R，则V’_BAR－V_FB的压差为I_FB×△R。因为I_CH往往是0.xA～1A，而I_FB≈3μA ，所以V_BAT与V’_BAT的压差较大，而V’_BAT与V_FB之间的压差甚小（V_BAT＞V’_BAT＞V_FB），用V_FB端反馈到误差放大器的电压与电池的实际电压更接近，即检测电池电压更精确。这一种精确测量方法也称为开尔文检测法（KeLvin）。用这方法精确检测电池电压可使电池的终止充电电压更精确，电池也冲的更满。
2 充4V铅酸电池或3节镍氢电池或锂离子电池的电路
　　在FB端与电池正极之间加一个R_VSET电阻，可以调节恒压充电的电压这一特点，则除充磷酸铁锂电池外，还可组成简易4V铅酸电池或3节镍氢电池充电器，电路如图5所示。

图5 铅酸电池或镍氢电池充电器电路
　　设定的终止充电电压V_bat与R_VSET的关系为：
V_bat（V）=3.6（V）+3.04×10-6（A）×R_VSET（Ω）            （2）
　　由于这种简易充电器设定了终止充电电压，所以在充电过程不会产生过充电的情况，即充电是安全的。但由于不同种类的电池有各自的充电程式及终止充电的检测方法，因此用CN3059组成的简易充电器在充满程度上需要差一些。另外，在充3节镍氢电池时，由于充电器没有每节电池均压充电的电路，所充的电池应是同一种型号、同一公司生产、同一组使用的电池，否则会造成由于电池的内阻不同而产生的有的电池未充满，有的电池已过充电的情况。不同充电电池的R_VSET值如表2所示。

　　为保证终止电压的精度，采用的R_VSET应为1%精密电阻（E48、E96系列），温度系数±100×10-6/℃。
图6是一种充3.2V磷酸铁锂电池（S1打在下面）及充3.6V锂离子电池（S1打在上面）的充电器电路。另外，它是恒流充电可选500mA（S2打在下面）或1000mA（S2打在上面）的充电电路。

图6　3.2V磷酸铁锂电池及3.6V锂离子电池充电器电路