基于MPPT控制的鋰離子電池充電器

時(shí)間：2025-03-08 19:34:23

關(guān)鍵字： MPPT 鋰離子電池充電器 TP4056 CN3165

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[導(dǎo)讀]當(dāng)談到獨(dú)立的單電池充電器時(shí)，只有一個(gè)流行的名字進(jìn)入我的腦海，那就是我們的多功能鋰離子/鋰po TP4056電池充電器。這是廣泛使用的，有很多功能與電池保護(hù)有關(guān)。鋰電池在市場(chǎng)上很容易獲得適當(dāng)?shù)某潆娊鉀Q方案，但當(dāng)涉及到太陽能變化時(shí)，可以在網(wǎng)上看到一些微控制器項(xiàng)目。我想創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的太陽能電池充電器模塊，幸運(yùn)的是，我在協(xié)和CN3165找到了一個(gè)解決方案，就像TP4056鋰離子一樣，充電電流可以用單個(gè)電阻在外部設(shè)置。

基于MPPT的集成電路，可跟蹤電源點(diǎn)并對(duì)電池充電，最大額定功率為1A，外形尺寸為TP4056。

當(dāng)談到獨(dú)立的單電池充電器時(shí)，只有一個(gè)流行的名字進(jìn)入我的腦海，那就是我們的多功能鋰離子/鋰po TP4056電池充電器。這是廣泛使用的，有很多功能與電池保護(hù)有關(guān)。鋰電池在市場(chǎng)上很容易獲得適當(dāng)?shù)某潆娊鉀Q方案，但當(dāng)涉及到太陽能變化時(shí)，可以在網(wǎng)上看到一些微控制器項(xiàng)目。我想創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的太陽能電池充電器模塊，幸運(yùn)的是，我在協(xié)和CN3165找到了一個(gè)解決方案，就像TP4056鋰離子一樣，充電電流可以用單個(gè)電阻在外部設(shè)置。

機(jī)載功能包括欠壓鎖定，自動(dòng)充電，恒流充電，維護(hù)充電模式(定時(shí)器終止)，充電/終止指示燈和電池溫度監(jiān)測(cè)。所有模式和電池充電過程詳細(xì)如下。非常感謝PCBWay贊助這個(gè)項(xiàng)目的pcb !他們的高質(zhì)量制造和快速周轉(zhuǎn)使這一建設(shè)成為可能。

CN3165及其特點(diǎn)：

CN3165是一款完整的恒流/恒壓線性充電器，適用于單電池鋰離子和鋰聚合物電池。該器件包含一個(gè)片上功率MOSFET，消除了外部感測(cè)電阻和阻塞二極管的需要。片上自適應(yīng)電池可以根據(jù)輸入電源的輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，因此CN3165非常適合太陽能供電系統(tǒng)。

熱反饋調(diào)節(jié)充電電流，以限制高功率工作或高環(huán)境溫度下的模具溫度。調(diào)節(jié)電壓內(nèi)部固定在4.2V，精度為1%，也可以通過外部電阻向上調(diào)節(jié)。充電電流可以用一個(gè)電阻器在外部設(shè)置。斷開輸入電源后，CN3165自動(dòng)進(jìn)入低功耗休眠模式，電池漏電流降至小于3uA。

特點(diǎn):

?適用于太陽能供電系統(tǒng)

?片上功率MOSFET

?不需要外部阻塞二極管或電流檢測(cè)電阻

?預(yù)置4.2V調(diào)節(jié)電壓，精度1%，可通過電阻器向上調(diào)節(jié)

?連續(xù)充電電流可達(dá)1A

?恒流/恒壓操作

?輸入電源電壓被移除時(shí)自動(dòng)低功耗休眠模式

?指示燈或uP接口狀態(tài)指示

?C/10電荷終止

?自動(dòng)充電

?電池溫度傳感

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線路圖:

我已經(jīng)閱讀了數(shù)據(jù)表，它描述了添加了一些保護(hù)功能的應(yīng)用電路。數(shù)據(jù)表電路如下：

在這里，我們需要一個(gè)電阻來設(shè)置電池充電電流的最大輸出，一個(gè)電容在電池端子上用于電源噪聲消除。還有一些led指示燈用于電池更換和完成模式。在單個(gè)電池運(yùn)行時(shí)，反饋引腳直接連接到電池端，連續(xù)監(jiān)測(cè)電池電壓，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電重新啟動(dòng)和斷電。相同的充電IC可以通過用分壓器饋送反饋引腳來對(duì)1個(gè)以上的電池進(jìn)行最大1amp的充電。

修改后的電路:

我修改了電路，增加了一些外部保護(hù)功能。我添加了一個(gè)USB C型輸入，一個(gè)TVS二極管來拒絕太陽能輸出中的任何尖峰，一個(gè)正向偏置二極管來使其極性友好，可以在原理圖中看到。

在第2節(jié)中，IC本身與2個(gè)電阻一起設(shè)置電流，led指示燈和IC的一些耦合電容器。

在第3節(jié)中，輸出從引腳頭獲取，并且它還包含與TP4056相同的保護(hù)電路。所有這些都被打包成一個(gè)小的形式因素。

PCB布局:

這是我在考慮所有噪音和穩(wěn)定性問題時(shí)所執(zhí)行的硬件關(guān)卡設(shè)計(jì)。軌道經(jīng)過足夠的計(jì)算以承載最大電流，從而提供最大功率并減少熱效應(yīng)。兩個(gè)板載狀態(tài)led用于監(jiān)控電池充電。并且為了保持開關(guān)部分對(duì)輸入和輸出的所有影響最小，PCB根據(jù)輸入到輸出流進(jìn)行劃分。我保持了與TP4056板相同的外形因素，這使得這個(gè)設(shè)計(jì)更實(shí)用，更容易作為一個(gè)獨(dú)立的電池充電設(shè)備使用。輸入電源采用C型USB，焊盤設(shè)計(jì)與TP4056相同。

BOM和裝配注意事項(xiàng)：

焊接時(shí)，最佳做法是先安裝IC和USB連接器。然后是小電容，電阻，然后是電感。因?yàn)镮C焊盤和USB連接器很難用手焊接。如果你不想組裝電路板，那么PCBWAY組裝服務(wù)是最好的選擇。

鋰離子電池充電方式：

讓我們深入了解充電過程，看看鋰離子電路的變化過程中發(fā)生了什么。

充電:

涓流充電(也稱為預(yù)充電)分為兩個(gè)階段：它是一種電池保護(hù)功能，只有在電池放電過量時(shí)才會(huì)啟用。

如標(biāo)稱電壓為3.7v，電池過放電(如低于2.8V)，則先進(jìn)行恢復(fù)充電，防止電池因電流過大而損壞。此時(shí)，軟件還沒有啟動(dòng)，是一種由硬件控制的行為。這一階段的“涓流充電”是指電池過放電后到恢復(fù)到開機(jī)電壓之前的充電過程。涓流充電電流為最大充電電流的1/10，即0.1C(以最大充電電流為1A為例，涓流充電電流為100mA)。

通常所說的涓流充電是指持續(xù)一段時(shí)間的充電過程。它是一種恒壓充電，限制了充電電流的取值;當(dāng)電池達(dá)到正常電壓(3.7v)時(shí)，涓流變化模式關(guān)閉，恒流充電模式開啟。

恒流恒壓充電：

在標(biāo)準(zhǔn)充電過程中，電池以等于最大充電電流的恒定電流充電。隨著電池電壓的穩(wěn)步上升，當(dāng)電壓接近設(shè)定的最大電壓時(shí)，充電過程切換到恒壓充電(約4.15v)。此時(shí)，充電電流逐漸減小，直至達(dá)到最大充電電流的1/10，此時(shí)充電過程結(jié)束。恒壓變化模式用于保持電池健康，不會(huì)更快地退化。

電池上提到的充電電流額定值，由C額定值定義。C是表示電流相對(duì)于電池標(biāo)稱容量的一種方法。例如，如果電池的容量為1000mAh，則1C等于1000mA (1A)的充電電流。

充電終止:

有兩種典型的充電終止方法：最小充電電流法和定時(shí)器法(或兩者的結(jié)合)。最小電流法監(jiān)測(cè)恒壓充電階段的充電電流，當(dāng)充電電流降至0.02C ~ 0.07C時(shí)終止充電過程。第二種方法是在恒壓充電階段開始時(shí)開始計(jì)時(shí)，連續(xù)充電2小時(shí)后終止充電過程。在現(xiàn)代，即使手機(jī)顯示100%健康，充電終止也不會(huì)停止，此時(shí)以非常小的電流繼續(xù)充電，以增加電池的整體壽命。

測(cè)試和工作：

我在裝配了一個(gè)最大電流限制為100mA的電源后給電路板上電，這樣如果出了什么問題，也不會(huì)損壞任何東西。但是在第一次工作時(shí)，所有的連接都是正確的，但是在上電之前總是檢查VCC和GND線的連續(xù)性。所以，我連接了一個(gè)3.9V的鋰離子電池，最大充電電壓為4.2V。設(shè)置默認(rèn)充電電流。充電電流額定值應(yīng)該與電池額定值相匹配，所以我總是建議使用高C額定值的電池，同時(shí)用3A充電。

太陽能充電: