锂电池充电及其保护电路设计

硬件笔记本 2022-09-28 07:30

点击上方名片关注了解更多


锂电池特性

首先,问一句简单的问题,为什么很多电池都是锂电池?

锂电池,工程师对它都不会感到陌生。在电子产品项目开发的过程中,尤其是遇到电池供电的类别项目,工程师就会和锂电池打交道。

这是因为锂电池的电路特性决定的。

众所周知,锂原子在化学元素周期表中排在第三位,包含3个质子与3个电子,其中3个电子在锂原子核内部的分布对它的化学与物理特性起到决定性作用。

元素周期表

锂原子核外层的3个电子,只有最外层的1个电子是自由电子,另外2个电子不属于自由电子,也就是不参与锂原子的电子性能。


为什么会选用锂元素作为电池的材料呢?

这是因为,锂原子虽然最外层只有1个电子,但它的相对原子质量却仅仅只有7。换句话说,在相同的质量密度条件下,锂原子所带的电能是最多的。

以铝元素为例进行对比,可以直观的得出结论。

铝元素,在元素周期表排在13位,最外层自由移动的电子数是3,相对原子质量是27。也就是如果用质量为27的铝元素制造电池,它的电能是3。

如果用相同质量为27的锂元素制造电池,它的电能是27*(1/7),大约为3.86。

显然,在电能方面,锂元素的3.86是要超过铝元素的3。这就是为什么锂电池如此受欢迎的原因理论解释。


锂电池的充电电路


在了解完锂电池的基本电路特性后,工程师在开发带有锂电池供电的项目时,就会面临锂电池的充电电路问题。

锂电池的电压为3.0V ~ 4.2V之间变化,也就是锂电池的最大电压为4.2V,最小电压为3.0V。最大电压与最小电压,对于锂电池而言,隐藏着什么电路含义呢?

单节锂电池

最大电压是4.2V,也就是锂电池两端能承受的极限电压不超过4.2V;最小电压为3.0V,也就是锂电池两端的极限放电电压不低于3.0V;换言之,它的另外一层电路意义是锂电池在接收外界的充电电路充电,它的最后充电电压不能高于4.2V;锂电池在向外界负载提供工作电源,它最后消耗的电压会停留在3.0V。

基于此,如果工程师将常用的5V/1A或者5V/2A规格的充电器,对锂电池进行直接充电,这样是否可以呢?

充电器

显然是不行的。为什么呢?

因为无论是5V/1A或者5V/2A规格的充电器,对外输出的充电电压均为5V,超过了锂电池最大的承受电压4.2V。

针对这两个电压不匹配兼容的问题,该如何去解决呢?在不改变充电器5V/1A和5V/2A规格的条件下,工程师应当如何去实现呢?

常用的电路解决方案是TP4054充电管理芯片。

TP4054充电管理芯片,是一款适合单节锂电池的充电管理芯片,属于恒压恒流的线性充电类型,充电电压固定于4.2V,充电电流最大支持800mA,并且自身的待机消耗电流只有2uA。

TP4054应用电路图

在TP4054充电管理芯片应用电路图中,工程师可以很清楚地观察到,整个电路设计的方案非常简洁,外围电路只有几个电阻电容和LED灯,省去了外置的MOS管,与此同时也节约了设计的BOM表成本。

  • Pin 1引脚CHRG:TP4054芯片的充电状态指示功能。在充电的过程中,连接的LED为亮,充电充满的时候,连接的LED为灭;

  • Pin 2引脚GND:TP4054芯片的参考地,属于电路的公共端;

  • Pin 3引脚BAT:TP4054芯片的充电输出端,直接连接到单节锂电池的正极;

  • Pin 4引脚VCC:TP4054芯片的电源输入端,也是单节锂电池的充电输入接口,电压工作范围为4.5V~6.5V,正好满足5V/1A和5V/2A规格的充电器输出电压;

  • Pin 5引脚PROG:TP4054芯片的充电电流设置功能,选择不同的阻值R1,就可以设定不同的充电电流I;

具体的对应关系为

(1)在充电电流I 设定不大于0.15A时,R1 = 1000 / I;

(2)在充电电流I 设定大于0.15A时,R1 = 1000 / I *(1.2- 4 * I /3);

举例说明,当充电的电流设定为0.1A,R1电阻的阻值就被选定为了 10K;当充电的电流设定为0.5A,R1电阻的阻值就被选定为了 1K;

至此,是不是以为TP4054芯片的电路解决方案,很完美地解决了单节锂电池充电的问题了。它不仅完成了锂电池的充电功能,还拥有充电状态指示灯功能,并且还可以设定充电的电流大小。

No,No,No......

在实际开发电路项目的过程中,发现TP4054芯片,它不具有在锂电池充满的时候自动断电功能;没有自动断电功能,引发的后果是在没有被切断充电器的电源时,锂电池是一直被TP4054芯片在充电的。

这也是TP4054芯片的一个小小的不足之处

TP4054芯片之所以有充电LED指示功能,就是用LED亮灭的变换提醒用户,该手动切断电源了,不然就是一直在充电哦。



锂电池的保护电路


说完锂电池的充电电路,接下来就要讲讲它的放电电路了。充电是从外界吸收电能,放电是向外界(负载)提供电能,这就是电池的使命。

锂电池的放电过程,其实就是等效于电容的放电过程。电容两端连接电阻负载,形成一个简单的工作回路,如果外界不加以干涉,电容存储的电量就会被一直消耗,直到电量为零。

显然这样的放电过程,对于锂电池是完全不能接受的。锂电池的电量放电为零,就等同于锂电池两端的电压为零, 电池电量Q = 电池电容C * 电池电压U。

因为锂电池的电压范围是维持在3.0V ~ 4.2V,不能为零。如果锂电池电压由于负载的消耗变为零,锂电池的寿命会呈现指数级衰减。

这就是引入锂电池保护电路的原因。

理论虽如此,实际项目开发中该具体怎么操作呢?什么方案可以解决呢?

DW01芯片与8205 MOS管的电路设计方案就能较好地胜任。

DW01芯片与8205 MOS管应用电路

在DW01芯片与8205 MOS管应用电路图中,BATT+属于锂电池放电的正极,BATT-属于锂电池放电的负极。

  • Pin 1引脚 OD:DW01芯片的放电回路控制引脚,也就是控制M1MOS管的导通与关闭;

  • Pin 2引脚 CS:DW01芯片的放电(充电)电流控制引脚,通过此引脚的设置,可以选择放电(充电)的最大电流值;

  • Pin 3引脚 OC:DW01芯片的充电回路控制引脚,也就是控制M2 MOS管的导通与关闭;

  • Pin 4引脚 TD:DW01芯片的时间延长设置引脚,设定芯片的反应时间;

  • Pin 5引脚 VCC:DW01芯片的工作电源输入引脚,一般是通过一个电阻连接;

  • Pin 6引脚 GND:DW01芯片的参考地引脚,作为公共地;

其中,8205是N沟道的双MOS管,就是对应到电路图中的两个MOS管。

在锂电池对外界放电的过程中,DW01芯片OD引脚控制M1 MOS管导通,OC引脚控制M2 MOS管关闭,此时锂电池、M1 MOS管和 M2 MOS管内部下面的二极管组成一个放电回路。

两个重要参数不得不提,其一是锂电池的放电电压,其二是锂电池的放电电流,它们是锂电池保护电路的核心。

浏览DW01芯片的数据手册,得知:

DW01芯片参数

放电保护电压3.0V±0.1,放电电流检测电压150mV±30。

DW01芯片的放电保护电压3.0V,正好与单节锂电池的最低放电电压3.0V吻合,似乎是天造地设的一对~~~

现在是否明白了为什么DW01芯片能对锂电池放电起到保护的作用了吧。

还有一个保护的参数放电电流,这个参数工程师怎么去设定呢?要想根据实际的项目需求,设定锂电池的放电电流,关键在于理解DW01芯片的应用电路本质。

DW01芯片内部电路图


DW01芯片Pin 2引脚CS,内部电路连接的是一个比较器,因此在锂电池对外放电时,引脚CS两端的电压如果被检测到超过150mV,那么就会通过关闭8205 MOS管而关闭锂电池对外放电的回路,也就起到了过流保护功能。

剩下的问题就是引脚CS两端的电压150mV与锂电池放电的电流量化大小关系了?

还是回到DW01芯片与8205 MOS管应用电路图中,锂电池、M1 MOS管和 M2 MOS管内部下面的二极管构成一个完整的放电电路。

由于M1 MOS管的一端是连接锂电池的负极GND,另外一端是连接DW01芯片的引脚CS,而DW01芯片的引脚CS检测保护电压是150mV,等同于M1 MOS管的两端保护电压是150mV。


再接着浏览8205 MOS管的数据手册,查看它的内部导通电阻是小于37mΩ。

8205 MOS管参数

DW01芯片的放电保护电流等于什么?等于引脚CS检测保护电压150mV 除以 8205 MOS管的导通内阻 (小于37mΩ),也就是大约为5A。

至此DW01芯片的放电电压保护以及电流保护原理已经介绍好了。



锂电池的总结


讲述完锂电池的充电电路原理,工程师可以选用TP4054芯片开发设计出锂电池的充电方案。

讲述完锂电池的保护电路原理,工程师可以选用DW01芯片与8205 MOS管开发设计出锂电池的保护电路方案。

充电方案与保护方案,二者不是独立的,是互相依赖,共同才能组成一个完整的锂电池充放电管理设计方案。将TP4054应用电路图中的Pin 3引脚BAT电池正极与电池负极,连接到DW01芯片与8205 MOS管应用电路中的BATT+与BATT-,这样就构成了一个功能完好的锂电池充放电管理电路设计方案。

声明:


声明:本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立,推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有,如有侵权,联系删除。


推荐阅读

  • 硬件精选文章

  • EMC相关文章

  • 电子元器件


后台回复“加群,管理员拉你入技术交流群。

硬件笔记本 一点一滴,厚积薄发。
评论 (0)
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦