新型智能锂离子电池充电控制器LTC4007应用设计
1.引言
随着高科技的发展,各种电子产品不断走向低功耗、微型化,以便于人们在生活中随身携带使用。这些产品有一个共同的特点,就是利用电池作为供电电源,比如手机、MP4、便携式测量设备等产品。电池的种类很多,当前广泛使用的是锂离子电池,这种电池与传统的铅酸和镍镉等电池相比,具有比能量高、自放电小、工作电压高、使用寿命长、污染小等优点,但锂离子电池也有自身的缺点,其对充电电流、电压、温度等都有严格要求,稍不小心,就可能导致电池受损、报废。
本文介绍的LTC4007EGN芯片是Linear公司新推出的一款锂离子电池智能充电控制器,其依据锂离子电池特性定制,具备对三节或四节锂离子电池组进行大电流恒流、恒压、定时充电、过热保护等多种功能,实际应用表明,该控制器能对锂电池组进行大电流充电,同时其小型SSOP24封装特别适合应用于集成度高、电路板空间有限的场合。
2.控制器简介
LTC4007封装如图1所示,其具有以下性能特点:
(1)对3节或4节锂离子电池组充电;
(2)转换效率高达96%;
(3)输出最大电流超过4A;
(4)充电电压精度可达±0.8%;
(5)内置过热保护功能;
(6)具备交流适配器电流限制功能;
(7)充电电流输出监测;
(8)工作状态标示:充电、C/10充电电流、适配器连接、电池低电压、输入电流限制、故障。
LTC4007是一种恒流/恒压的锂离子电池充电控制器,具有同步、准恒定频率、恒定关断时间的PWM控制结构,在使用陶瓷电容的情况下也不会产生听的见的噪声。利用电流设置电阻可以将充电电流精度控制到±5%,充电电流的大小通过控制器PROG管脚输出的电压监测。
充电电压通过控制器编程管脚可以设置为3节或4节,每节电压可设置为4.2V或4.1V.充电时间通过外部定时电阻设定。当电池电压低于3.9V/节时,控制器可以自动开始充电。
当每节电池电压低于2.5V时,电池电压过低标示警告,利用此标示LTC4007能设计自动涓流起始充电功能,避免损坏电池,当充电时间达1/4总充电时间,电池仍为低电压时停止充电,显示故障标示。
3.工作原理
LTC4007典型应用原理图如图2所示。结合原理图按功能对其工作原理进行介绍。
3.1 电池充电控制
充电时,应先连接待充电电池,然后开启电源进行充电,控制器首先检查电池电压,当电池电压低于2.5V/节时,先进行涓流充电,待电池电压上升到2.5V以上,进入恒流充电阶段,电池电压不断上升,当达到设定电压时,进入恒压充电阶段,直至充电定时时间截止。
充电过程中,控制器通过TGATE、BGATE管脚驱动PMOS管Q1和NMOS管Q2的周期通断来实现电池的充电控制。每个周期过程中,控制器首先驱动开启Q1,关闭Q2,外部电源对电池进行瞬间充电,然后关闭Q1,开启Q2,电池进行瞬间放电。 TGATE、BGATE的电平时序图如图3所示。
3.2 电流设定
LTC4007能通过电阻RCL和RSENSE设定适配器的最大输出电流(0.1V/RCL)和最大充电电流(0.1V/RSENSE)。设计常用的参数如表1和表2所示。
从表1和表2可知,图2中适配器的最大输出电流为3A左右,最大充电电流均为3A.
3.3 充电电压设定
LTC4007通过管脚3C4C和CHEM设定充电电压。管脚3C4C设定电池节数,逻辑低时,表示3节;逻辑高时,表示4节。管脚CHEM设定每节电池充电电压,逻辑低时,表示4.1V/节;逻辑高时,表示4.2V/节。管脚接地时表示逻辑低,管脚悬空时表示逻辑高。表3详细描述了不同设定下的充电电压值VFINAL.由此可知,图2中的充电电压设定为16.8V.
3.4 定时时间设定
正常充电时间通过连接在管脚RT端的定时电阻RT设定,范围为1~3小时,误差在±15%以内。定时时长TTIMER用公式表示:
TTIMER=RT/154kΩ(小时) (1)
根据上述公式可知图2中的定时时长为2小时左右。
3.5 过热保护
LTC4007的管脚NTC端外接一个NTC热敏电阻网络,控制器内部不断采样该管脚的电压值,即热敏电阻网络输出的电压值来判断电池温度是否在安全范围内,图2中由器件C7、R9、THERMISTOR热敏电阻组成。当电压值超过设定的安全范围,则充电暂停,当电压值恢复到安全范围后,充电继续。通过在DCIN和NTC管脚间接入一个电阻可以禁止过热保护功能。
3.6 涓流充电
当锂离子电池电量耗尽时,直接对其进行大电流充电容易损坏电池,需先进行小电流充电,即涓流充电,当电池电压达到一定值之后再进行大电流充电。
图2中,LTC4007能自动对电压小于2.5V/节的电池进行涓流充电,充电电流为一般为1C的
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