采用CN3705和LM2596设计的锂电池充放电系统

目前，消费电子产品越来越多，如智能手机、平板电脑、PSP 游戏机等电子产品，给人们的生活工作娱乐都提供了极大的方便。然而，这些电子产品都有一个共性的缺点就是自身锂电池的容量有限，经常因为没电了，导致我们的电子产品无法使用。为了解决给电子产品续航问题，本文设计了一款集锂电池充电和放电一体的电路。

1.系统原理设计

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。本系统分为三个部分（如图1所示）：CN3705 锂电池充电电路，12V 锂电池，LM2596 锂电池放电电路。可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。

图1 系统原理框图

2.锂电池充电电路

2.1CN3705芯片简介

CN3705 为降压模式锂电池充电芯片，具有恒流恒压充电方式。对于深度放电的电池，当电池电压低于设定的恒压充电电压的66.7%时，CN3705采用恒流充电电流的15% 对锂电池涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到外部电阻设定的值时，充电结束。芯片输入电压在12V 到28V之间，最大工作频率为300kHz，输出最大电流为5。

2.2设计电路

图2 CN3705 构成的锂电池充电电路

图2为CN3705构成的锂电池充电电路，电路结构为buck降压拓扑结构。输入电压在14V到28V之间，电路PWM开关频率为300kHz，最大输出电流为1.2A，最大输出电压为12.6V。适合给3节串联 3.7V标准锂电池充电。

图2中，P沟道MOS管Q1、肖特基D2、电感L1以及电解电容C1构成经典的buck降压充电电路。Q1的选择要综合考虑转换效率、MOS管的功耗和最高温度。还要考虑的因素包括导通电阻Rd（on），栅极总电荷Qg，输入电压和最大充电电流。MOS 管损耗功率计算公式如下所示：

Pd为MOS管功耗，Vbat为输出电压，Vcc为输入电压，Rd（a）为MOS在室温下的导通电阻，ICH为充电电流。一般，当输入电压小于20V时，MOS管的导通损耗大于开关损耗。所以要选择导通损耗较小的MOS管。D2为肖特基二极管，二极管流过电流能力要大于充电电流，二极管的耐压要大于最低输入电压。

2.3电感的选着和计算

在正常工作时，瞬态电感电流是周期性变化的。在 MOS 管导通期间，输入电压对电感充电，电感电流增加;在 MOS 管关断期间，电感向电池放电，电感电流减小。电感的纹波电流随着电感值的减小而增大，随着输入电压的增大而增大。有如下经验公式：

其中f=300kHz开关频率，∆I为电感的纹波电流。在选取电感值时，可将电感纹波电流限制在∆I=0.2×ICH，最大电感纹波电流∆I出现在输入电压最大值和电感最小值的情况下。经计算电感取值。

2.4工作方式

（1）恒压充电

如图2所示，电池端的电压通过电阻R2和R4构成的电阻分压网络反馈到FB管脚，CN3705根据FB管脚的电压决定充电状态。当FB管脚的电压接近2.416V 时，充电器进入恒压充电状态。在恒压充电状态，充电电流逐渐下降，电池电压保持不变。恒压充电状态电池端对应的的电压为：

其中，Ib是FB管脚的偏置电流，其典型值为50nA。由于电阻R2和 R4 会从电池消耗一定的电流，在选取R2和R4的电阻值时，应首先根据所允许的消耗的电流选取R2 R4的值，然后再根据上式分别计算R2和R4的值。这里 R2和R4分别取值为510KΩ 和 120kΩ，得充电电压为 Vbat=12.71V

（2）恒流充电

恒流充电电流由ICH=200mV/R1决定，R1为连接于CSP管脚和BAT管脚之间的充电电流检测电阻。R1取值为0.2Ω，所以恒流充电电流设定为ICH=1A。

（3）涓流充电

在充电状态，如果电池电压低于所设置的恒压充电电压的 66.7%，即电池电压为 8.47V，充电器进入涓流充电模式，此时充电电流为所设置的恒流充电电流的 15%，即电流为 0.15A。

（4）充电结束

在恒压充电模式，充电电流逐渐减小当充电电流减小到 EOC 管脚的电阻所设置的电流时，充电结束。充电结束电流由下式决定：

R5为是从 EOC 管脚到地之间连接的电阻，单位为欧姆。设定充电结束电流为0.1A时，计算出 R5=1.3kΩ。

（5）自动再充电

充电结束以后，如果输入电源和电池仍然连接在充电器上，由于电池自放电或者负载的原因，电池电压逐渐下降，当电池电压降低到所设置的恒压充电电压的91.1% 时（即电压为11.58V），将开始新的充电周期，这样可以保证电池的饱满度在80% 以上。

（6）温度监控

为了监测电池的温度，采用负热敏电阻NTC（如图2电路所示）紧贴电池。当电池的温度超出可以接受的范围时，充电将被暂时停止，直到电池温度回复到正常范围内。

锂电池的充电工作温度在0到45间，这里选取的负热敏电阻，满足在25 时应该为10kΩ，在上限温度点时其电阻值应该大约为3.5kΩ（ 约对应50 ）;在下限温度点时其电阻值应该大约为32kΩ（ 约对应0）。

3.LM2596输出电路

3.1LM2596简介

LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz。此芯片还具有在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内;可以用仅80μA的待机电流，实现外部断电;具有自我保护电路（一个两级 降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）。

技术特点

●3.3V、5V、12V的固定电压输出和可调电压输出

●可调输出电压范围1.2V～37V±4%

●输出线性好且负载可调节 

●输出电流可高达3A  

●输入电压可高达40V

●采用150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高

●低功耗待机模式，IQ的典型值为80μA 

●TTL断电能力

●具有过热保护和限流保护功能

●外围电路简单，仅需4个外接元件，且使用容易购买的标准电感

图3 LM2596内电路框图

3.2输出电路部分

LM2576有多种型号，这里选择固定输出5V的LM2596芯片。此电路构成非常简单，如电路图4。只需要输入电容C10、C11，肖特基二极管D3，电感L2，输出电容C12、C13 即可。

图4 LM2576放电电路

输入滤波电容，输入耐压和电流均方根是输入电容的重要参数。当LM2596 输入电压为12V 时，铝电解电容的耐压压大于18V（1.5&TImes;Vin）。输入电容电流的均方根为输出负载电流的一半，为 1.5A。根据图5所示，在曲线中，680μF/35V的电解电容满足要求。

输出滤波电容一般选择耐压值为10V的电解电容既可以，为了得到输出较小的纹波，输出电容尽量选择大点。这里选择电容值为220uH的电解电容，输出纹波即可在1%之内。

图5 电解电容耐压值，电流均方根，电容值关系

肖特基二极管D3这里选择5A/20V的IN5823既可以产生较好的效果。而且短路时也不会产生过载。

输出电压占空比：D1=Vo/Vi=5/12=0.417

电感L2由公式：

计算得L2=324uH，其中Vi为输入电压，∆I为输出纹波电流，f为开关频率。

小结

经过测试此电路系统可以正常稳定工作，CN3705锂电池充电电路工作效率可以达到91.0%;LM2596放电电路工作效率，当输出1.0A电流时工作效率可达84%，输出电路2.1A时，电路工作效率可达82.3%，当输出3.0A电路时电路工作效率为79%。且输出电压纹波均小于2%。
责任编辑人：CC