基于MCP73844集成電路的先進(jìn)2S鋰離子/鋰離子電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將使用微芯片中的MCP73844模塊來(lái)制作一個(gè)2S充電器模塊。該充電器能夠承受2- 12v的電壓，并以2S配置為鋰離子電池和鋰電池充電。這個(gè)項(xiàng)目的目的是開(kāi)發(fā)一個(gè)充電電路，可以用作任何消費(fèi)級(jí)項(xiàng)目的子系統(tǒng)。充電器模塊可以與標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)適配器或移動(dòng)電源連接，也可以與12伏的充電器連接。我還會(huì)告訴你我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)修改單個(gè)組件來(lái)使用相同的電路為單個(gè)鋰離子或鋰離子電池充電。在這個(gè)項(xiàng)目中，我將在內(nèi)部設(shè)計(jì)和制造整個(gè)電路，從電路設(shè)計(jì)，PCB制作到焊接SMD組件都是在內(nèi)部完成的。我們還將看到如何改變充電速率、散熱和其他參數(shù)，以使電路適合不同的用例。

電池充電器電路概述

如上所述，電路可以接受2V到12V之間的任何電壓，因此我們主要關(guān)注的是5V輸入，這是所有手機(jī)充電器，移動(dòng)寶，甚至電腦的USB端口所提供的。電路分為兩部分。當(dāng)使用5V輸入時(shí)，第一步是從5V提升電壓，以便我們的充電器IC可以使用它。我們把電壓提高到12伏。升壓后的電壓被輸入到充電控制器電路中，該電路給出一個(gè)受控的輸出來(lái)給電池充電。

MCP73844線性電荷管理控制器

系統(tǒng)的核心是充電器管理控制器IC，本課題采用的是微芯片MCP73844。該IC屬于微芯片的線性管理控制器系列MCP 7384x，專(zhuān)為低成本和空間有限的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。這些高度先進(jìn)的集成電路具有恒壓(CV)和恒流(CC)充電技術(shù)，與大多數(shù)低成本產(chǎn)品不同，具有諸如電池預(yù)處理，自動(dòng)充電終止，充電指示，安全定時(shí)器甚至可選的電池溫度監(jiān)測(cè)等功能。我們使用的IC采用8引腳MSOP封裝，如果您想要可選的電池溫度功能，您可以選擇MCP73841或MCP73842。下面給出了MCP73843/MCP73844模塊的應(yīng)用電路。

圖1鋰離子電池充電器電路

我們的IC的功能框圖取自數(shù)據(jù)表，如下所示：

在上述功能框圖中，2引腳即THREF和THERM僅在用于監(jiān)測(cè)電池溫度的MCP73841/ MCP73842中可用，這些IC采用10引腳MSOP封裝，不像我們使用的IC的8引腳MSOP封裝。除了這兩個(gè)引腳外，所有4個(gè)ic的連接和功能都是相似的。ic的引腳描述如下：

組件選擇

充電器是高度可定制的，我們可以選擇不同的充電速率，效率等通過(guò)選擇不同的被動(dòng)元件。我們?cè)O(shè)計(jì)的充電電路是針對(duì)2S電池配置的最大充電速率為2A/小時(shí)。最大功率將通過(guò)最大輸出電壓(Vout_max)與最大輸出電流(Iout_max)的積分來(lái)給出。因此，功率將是16.8瓦。我們的IC的連接如下所示。

在這里，R3電阻作為一個(gè)分流電阻。輸出電流基于這個(gè)分流電阻公式的值，該公式的值由Rshunt = VFSC / IFSC給出

這里，Rshunt是分流電阻的值

由上式可知，快充電流與分流電阻成反比，通過(guò)改變R3的值就可以達(dá)到期望的輸出。

注意:

電阻器的值將改變此時(shí)的發(fā)熱量和功率損耗，可通過(guò)公式P=R*(I*I)計(jì)算。

因此，在確定快速充電速率時(shí)，您必須考慮到這一點(diǎn)。

我們使用的MOSFET是p通道MOSFET S19433BDY，您可以用Fairchild?NDS8434或IRF7404代替它。

電池管理輸入引腳(VDD)

VDD是防止電池耗盡的輸入電源，當(dāng)VDD電源不存在時(shí)，它進(jìn)入下電模式，低于一定的電壓閾值，從而提高電池的壽命。

我們使用肖特基二極管來(lái)防止反向電流流向升壓電路。

熱的考慮

在選擇組件時(shí)，您要么必須限制充電電流，要么必須增加銅墊的尺寸，并包括多個(gè)過(guò)孔，以有效散熱，以獲得更好和更持久的操作。在選擇組件時(shí)，您必須進(jìn)行設(shè)計(jì)權(quán)衡。

絕對(duì)最大評(píng)級(jí)

VDD - 13.5v

所有輸入和輸出w.r.t?！?0.3至(VDD+0.3)V

DRV引腳電流-±4ma

STAT1引腳電流-±30 mA

最高結(jié)溫，TJ—150°C

儲(chǔ)存溫度-- 65°C至+150°C

我們的充電器參數(shù)：

如果您想為1S電池或單個(gè)鋰離子/鋰離子電池設(shè)計(jì)充電器，您可以用MCP73841或MCP73842替代MCP73844。MCP73841將具有完全相同的電路，而MCP73842將僅具有用于溫度測(cè)量的額外連接。剩下的電路將保持不變。

升壓電路使用MT3608

如上所述，我們的IC的工作電壓在8.7 V到12v之間，因此，為了使這個(gè)系統(tǒng)兼容5v輸入，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)升壓電路?？紤]到這個(gè)充電器可以用于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，我們使用的IC是MT3608，它采用6針SOT23封裝，它具有熱過(guò)載保護(hù)，欠壓保護(hù)和限流，同時(shí)具有高效率?；緫?yīng)用電路和效率曲線如下圖所示。

MT3608技術(shù)參數(shù)：

IC各引腳的引腳圖及功能如下圖所示

絕對(duì)最大額定MT3608

IN， EN電壓-- 0.3 v至26V

工作溫度-- 40°C至+85°C

FB電壓—-0.3V至6V

結(jié)溫- 160°C

SW電壓—-0.3V至30V

儲(chǔ)存溫度范圍-- 65°C至150°C

峰值SW吸收和源電流- 4A

MT3608集成電路能夠接受低至2V的輸入電壓。對(duì)于我們的應(yīng)用，我們有一個(gè)固定的5V輸入，我們需要的輸出應(yīng)該低于12V，因此我們將根據(jù)我們的要求設(shè)計(jì)電路。原理圖如下：

如何設(shè)置輸出電壓

我們的IC的內(nèi)部基準(zhǔn)是0.6V。輸出電壓可以通過(guò)改變電阻RV1和R2的值來(lái)控制，該值由公式-給出

如果您愿意，您可以使用50K歐姆的固定電阻替換鍋，這將為您提供9.6V的恒定輸出，這將適合我們的應(yīng)用。

電感值應(yīng)在4.7uH至22uH之間。為了提高升壓電路的效率，電感器必須在1.2mHz頻率(輸出MT3608的工作頻率)下具有較低的鐵芯損耗和較低的DCR值。輸入和輸出電容都應(yīng)該是22uC，最好選用ESR值較低的陶瓷電容。在選擇二極管時(shí)，二極管的擊穿電壓值應(yīng)大于輸出電壓，因此肖特基二極管是此應(yīng)用的良好選擇。此外，二極管的額定電流應(yīng)滿足輸出電流乘以峰值電流的均方根，可以寫(xiě)成

對(duì)于我們的案例，我們將使用肖特基二極管，額定電流為2安培。

在PCB中放置組件時(shí)需要考慮的一些重要事項(xiàng)

?輸入和輸出電容應(yīng)靠近集成電路。

?主電流走線應(yīng)保持短而寬(至少20mil)。

?一個(gè)共同的接地平面將有助于減少噪音，也可以作為散熱器工作。

設(shè)計(jì)該電路所需的元件有：

電容器

?2 × 22uF

?2 × 10uF

?1 × 0.1uF

二極管

?2 ×肖特基二極管

?1 xLED

ICs

?1 * MCP73844

?1 × MT3608

電感器

?1 × 20uH

電阻

?1個(gè)鍋

?1 × 3.3

?1 × 100mohm

?1 x 1k

場(chǎng)效應(yīng)晶體管

?S19443BDA

模塊的設(shè)計(jì)與制作

在選擇了所有組件之后，我使用KiCad的原理圖編輯器Eschemia繪制了一個(gè)原理圖。原理圖如下所示。如上所述，電路分為2部分，電壓升壓電路和充電電路。

完成原理圖后，我將文件導(dǎo)出到KiCad的PCB編輯器中。牢記所有的設(shè)計(jì)約束。我放置了所有的組件，并做了銅傾倒共同接地如下圖所示。

檢查完P(guān)CB連接后，我打印出了PCB，并使用鐵盒將打印件印在銅板上。銅包層上的印記很好，因此我將PCB浸入氯化鐵溶液中，并按要求在銅溶液上獲得痕跡。

注意：當(dāng)使用SMD組件時(shí)，請(qǐng)始終記住拍攝PCB打印的鏡像，因?yàn)楫?dāng)您將打印從紙轉(zhuǎn)移到覆層時(shí)，您將獲得鏡像打印

在檢查走線的連接性后，我焊接了電路板上的所有組件，之后剩下的就是測(cè)試設(shè)置。您可以從給定的鏈接下載Gerber文件。

5V輸入測(cè)試電路

為了測(cè)試電路，我連接了兩個(gè)標(biāo)稱(chēng)電壓為3.7 V，容量為1200mAh的鋰離子電池。兩個(gè)電池串聯(lián)時(shí)充電到7.55V。我連接了設(shè)備，充電燈開(kāi)始發(fā)光。至于電源，我使用了蘋(píng)果公司的10W充電器，用USB轉(zhuǎn)DC插孔電纜連接。電池連接約50分鐘后才完全充電，LED指示燈自動(dòng)關(guān)閉，表明充電完成。

當(dāng)我們測(cè)量流向電池組的電流時(shí)，它的最大值約為1A，大多數(shù)時(shí)候在100mA-500mA左右。在最大功率下，電池充電功率約為9W。

12V輸入測(cè)試

當(dāng)我們用12v充電器給充電器模塊供電時(shí)，輸出電壓在8-10V左右，但輸出的電流高達(dá)2.2安培，超過(guò)16W的功率。使用這種設(shè)置，電池在快速充電階段可能會(huì)發(fā)熱一點(diǎn)，但這不應(yīng)該是一個(gè)問(wèn)題，也不應(yīng)該降低電池的壽命。

總結(jié)

這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單但有效的電路，可以用于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品。整個(gè)系統(tǒng)的尺寸可以有效地減小，但由于我們?cè)噲D在內(nèi)部制造它，我們沒(méi)有將組件放置在彼此非常接近的位置。充電模塊效率非常高，并具有許多功能，如電池預(yù)處理，這是在便宜的選擇，這一功能補(bǔ)充過(guò)放電的電池在一個(gè)可控的方式，從而提高您的電池壽命。這種高度可定制的設(shè)計(jì)可以真正提高整體效率和健康的電池組。

本文編譯自circuitdigest