中國開發生產新型號IC在鋰電池充電器的產品運用方案

       隨著手機、MP3、PMP、DC/DV等手持電子產品越來越大眾化,鋰金屬(Li)和鋰離子電池使用越來越普遍,而配用的充電器無論是市售的15元手機充電器還是較高檔的DC/DV兼容充電器,絕大部分是采用LM324組成的充電電壓檢測和控制線路,這些線路無論從控制精度還是功能方面都不能滿足鋰電池充電特性的要求,直接導致電池充不滿,電池壽命減短以及越來越多的電池損壞、爆炸等案例發生。而如果采用國外專用IC來設計,則其極其高昂的成本實在令人無法接受。

 

     有鑒于此,筆者在此介紹兩款由國產新型IC組成的鋰電池充電器,在大致相當的總體成本下提供了遠遠超過LM324方案的性能,具有極高的新穎性和市場前景。

PT7M7433T是上海百利通公司最新設計的極高精度的一系列電壓檢測器的其中一款,其檢測精度在0-Vcc  (5.5V)范圍內小于1mV,而且其批量IC的檢測值偏差<±2.5%,這樣完全保證了批量產品的性能一致性和極高的總體性能,我們利用其配合少量外部電路即可組成相當簡單的鋰電池充電線路。

該IC的內部框圖和簡單介紹如下:(圖一)

IC內含一個高精度的615mV基準電壓源、兩個比較器、一個RS觸發器和其它一些邏輯電路,其大致功能是:VCC電壓或其它待檢測電壓通過R1-R3組成的分壓網絡接在IC的LTHIN  /HTHIN檢測引腳,當待測電壓下降導致LTHIN引腳低于615mV時,輸出腳LBO輸出低電平,而如果待測電壓上升導致HTHIN引腳高于615  mV時,經過內部邏輯判斷和簡單延時后,輸出腳LBO輸出高電平。

利用這個IC裝制的充電器電路如下(圖二)

其工作流程大致是:當接上Li+電池和供電電源時,IC通過R1/R2/R3組成的網絡檢測電池電壓,如果電池電壓低于3.3V(由R1-R3的電阻值決定),或者按下按制SW1,此時IC3腳的電壓低于615mV,則IC4腳輸出低電平,通過R5/D2拉低Q1的柵極使之導通,從而通過Q1/R9/D1給電池進行大電流充電,當電池電壓一路上升直至超過4.20V,此時IC的1腳電壓高過615mV,IC內部經簡單判斷和延時,令4腳輸出高電平,從而關閉大電流充電通道,但是4腳的高電平同時給R7/C2的充電回路供電,令到Q3的柵極電壓慢慢升高,并給R8提供通路導致Q2導通,通過R10給Q1提供一個較弱的導通電流,使之微微導通,從而為電池提供一個較少的補充充電電流。按照圖中所示元件參數將于大約十分鐘后,由于C2的不斷充電,其端電壓即Q3的柵極電壓不斷上升直至使Q3導通,從而關閉Q2,令到整個充電過程結束。

上面的方案還存在一些不足之處,例如檢測精度由外接電阻R1/R2/R3的精度決定,對于過放電的電池(電池端電壓低于2.8V)沒有一個小電流預充的過程,另外該方案的10分鐘補充充電時間對于較大容量的電池來說不是太足夠,因此針對上述不足之處,我們還提供一個成本稍高一點,性能更加完善的方案:(圖三)

乍看之下,這個方案采用了三個IC,可是U1和U2是采用的SOT-23或者TO-92封裝,就好像普通三極管一樣,其價格也就是2-3個三極管的價格,而U3(PT8A2513NE)也是采用的TO-94封裝,外形和三極管很相似,價錢也相當便宜,不過,這個電路可以實現智能判斷電池是否過放電,決定是否在開始充電時采用小電流預充,另外,采用U3后也將充電后期的補充充電過程延長到大約一個小時!

首先讓我們介紹一下該電路中幾個IC的功能:

(圖四)是U1/U2的內部框圖,這兩個IC只是內部電阻R1/R2的數值不同而已,它們的功能也很簡單:當Vcc低于IC的設定值時(根據IC編號不同,內部R3/R4阻值也不同從而導致檢測電壓值不同,對于PT7M6128指的是2.80V),RST引腳輸出低電平,反之當Vcc  高于1.05倍標稱值時(例如對于PT7M6140,此數值為1.05x4.0 =4.20V)則RST引腳輸出高電平。

上面電路的另外一個IC(PT8A25 13)則是一個極簡單卻極穩定的延時IC,其延時時間僅僅取決于  OSC腳的頻率。事實上該IC就是將OSC震蕩頻率進行32768次分頻后用來控制輸出的。之所以采用這個電路而不采用LM555或者CD4060等通用IC的原因就是因為它相對而言定時精度更高(其它IC不分頻),定時時間更長(可達數小時)。并且電路更加簡單,采用TO-94或SOT-23-4封裝,就像一個三極管一樣。而價錢也跟CD4060差不多,使用效果可就好的太多了。

至此大家想必也大致了解了圖三的工作流程了:接上電池和充電器,如果電池電壓低于2.8V,則U1輸出為低(U2輸出也是低),這樣R3和R4的回路都不通,只有R2回路導通,給Q1提供微弱的導通,使之輸出約數毫安的電流給電池進行預充電,當電池電壓上升到超過2.94V(1.05X2.8)時或者剛接上電池電壓就超過2.94V時,U1輸出高電平而U2繼續輸出低電平(電池電壓還沒達到4.2V   J),這時R2通路截止而R3通路導通(因為Q4導通且其源極電平為低-因U1輸出拉低),從而由較小阻值的R3令Q1完全導通,提供一個數百毫安的大電流恒流充電,而當這個恒流充電過程慢慢令到被充電的Li+電池端電壓上升到4.2V時,U2也輸出高電平從而關閉Q4,但是它同時也給U3提供了電源導致U3開始工作,這樣U3觸發Q3使R4導通提供一個很小的補充充電電流,直至U3達到定時時間從而關閉Q3,這時整個充電過程才完全結束。

相比而言,第二個方案增加了前期智能判斷電池狀態和自動預充電過程,以及延長了末尾的補充充電過程的時間,各個階段的充電電流可調并且補充充電時間可調(數分鐘至數小時),因此該方案對鋰電池充電具有更好的精確性和安全性,加上價錢便宜,功能也比較完善,相信很快會取代市面中低檔的充電器特別是那些廉價的手機電池充電器。


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