鋰電池充電電路設計、原理圖文詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-07-14
理論上為了防止因充電不當而造成電池壽命縮短，我們將電池的充電過程分為四個階段：涓流充電（低壓預充，此狀態(tài)的電池電壓比較低，實際使用時，建議將鋰電池欠壓保護點提高，避免電池出現(xiàn)過放電現(xiàn)象）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。
典型的充電方式是：先檢測待充電電池的電壓，在電池電壓較低情況下，先進行預充電，充電電流為設定的最大充電電流的1/10，當電池電壓升到一定值后，進入標準充電過程。
標準充電過程為：以最大充電電流進行恒流充電，電池電壓持續(xù)穩(wěn)定上升，當電池電壓升到接近設定的最大電壓時，改為恒壓充電，此時，充電電流逐漸下降，當電流下降至最大充電電流的1/10時，充電結(jié)束。
階段1：涓流充電——涓流充電用來先對完全放電的電池單元進行預充(恢復性充電)。在電池電壓低于3V左右時采用涓流充電，涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一即0.1c(以恒定充電電流為1A舉例，則涓流充電電流為100mA)。
階段2：恒流充電——當電池電壓上升到涓流充電閾值以上時，提高充電電流進行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。電池電壓隨著恒流充電過程逐步升高,一般單節(jié)電池設定的此電壓為3.0-4.2V。
階段3：恒壓充電—— 當電池電壓上升到4.2V時，恒流充電結(jié)束，開始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少，當減小到0.01C時，認為充電終止。（C是以電池標稱容量對照電流的一種表示方法，如電池是1000mAh的容量，1C就是充電電流1000mA。）
階段4：充電終止——有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時器(或者兩者的結(jié)合)。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時，持續(xù)充電兩個小時后終止充電過程。
若設計的充電電路沒有防倒灌保護，將會產(chǎn)生許多危害。以輸出端接2節(jié)鋰電池串聯(lián)為例，若僅將電源去除，充電器沒有移除，電池內(nèi)的電流倒灌至充電電路中，導致電池電量白白損失。
且更嚴重的安全隱患是：對于降壓電源芯片來說，電池電流從輸出端，經(jīng)芯片內(nèi)部功率管寄生的二極管倒灌至芯片的VIN端，當電路的輸出端電壓（電池電壓）低于設定值時，芯片F(xiàn)B點電壓相應的也會低于標稱值，芯片開始工作來提高輸出端電壓；
由于輸入端電壓幾乎與輸出端相等，對于降壓芯片來說，輸入端無法給輸出端提供能量，導致FB點電壓一直低于標稱值，芯片進入占空比100% 的工作狀態(tài)。
此時若是輸入端突然恢復供電，輸入端電源會經(jīng)過已經(jīng)打開的功率管直接把能量輸送到輸出端，由于輸入輸出存在壓差，瞬間會有比較大的電流流過功率管，若此時由于其它不可控的原因?qū)е滦酒茨芗皶r有效做出響應來關閉功率管，這個大電流有可能會使芯片內(nèi)部開關管損壞。因此在設計電池充電電路時，我們需要添加防倒灌的措施。
升壓方案由于續(xù)流二極管可以起到防倒灌的作用，所以一般不外加防倒灌措施。但是對于降壓方案，需要對電池充電電路添加防倒灌措施。
以XL4301鋰電池充電電路為例，如圖2、圖3所示（紅色虛線框中為防電流倒灌電路）。輸入12V，輸出接單節(jié)鋰電池（3.1V-4.3V），最大充電電流0.8A；其中最大充電電流 IOUT=VCS/RCS=0.11/0.137≈0.803A，最大充電電壓 VOUT=VFB*（1+R2/R1）=1.25*（1+7.87/3.3）≈4.231V。
圖2電路中，我們選擇一個肖特基二極管防止電流倒灌，這是簡單有效的方法。為降低肖特基D2溫度，選用的肖特基電流能力是充電電流2倍以上。
由于肖特基壓降比較大，會增加系統(tǒng)損耗；為減小防倒灌電路產(chǎn)生的損耗，我們可以采用MOS管來防止電流倒灌，如圖3正常工作時，PMOS管導通，電流經(jīng)過MOS管給鋰電池充電，MOS管功耗較小；當輸入端斷電時，PMOS關斷，起到防止電流倒灌的作用。其中DZ1的選取遵循VOUT＜VDZ1 ＜VIN。
備注：當輸出端電壓小于8.4V時，電路中DZ2與R6可以省去。
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