鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1506次 | 2021年08月08日
磷酸鐵鋰離子電池充電器的原理使用
磷酸鐵鋰離子電池是一種用磷酸鐵鋰（LiFepO4）材料作電池正極、用石墨作電池負(fù)極的新型鋰離子電池。有關(guān)該電池的具體解析請(qǐng)參看本刊9期磷酸鐵鋰動(dòng)力鋰離子電池一文。
磷酸鐵鋰離子電池的標(biāo)稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.60.05V、終止放電電壓是2.0V。該電池與鋰離子電池相同要求恒流、恒壓充電，充電率范圍是0.2～1C。
上海如韻電子有限公司在自主開(kāi)發(fā)出單節(jié)鋰電子充電器芯片CN3052及CN3056后，2007年又開(kāi)發(fā)出性能更好的單節(jié)磷酸鐵鋰充電器芯片CN3058及CN3059，滿足了市場(chǎng)的需求。本文將解析CN3059。
特點(diǎn)與使用
CN3059是一種對(duì)單節(jié)磷酸鐵鋰離子電池進(jìn)行恒流、恒壓充電的充電器IC。用該IC組成的充電器緊要特點(diǎn)：充電電流可由一外設(shè)電阻RISET設(shè)定，最大充電電流可達(dá)1A；輸入電壓4～6V，可采用USb接口或4.5～6V輸出電壓（輸出電流1000～1500mA）的AC/DC適配器供電；充電器電路簡(jiǎn)單、外圍元器件少、成本低；對(duì)過(guò)放電（電池電壓＜2.0V）的電池有小電流預(yù)充電模式；內(nèi)部有功率器理電路，若芯片的結(jié)溫超過(guò)115℃時(shí)能自動(dòng)降低充電電流作過(guò)熱保護(hù)，使用戶可設(shè)置較大的充電電流，以提高充電效率；有兩個(gè)LED分別作充電狀態(tài)指示及充電結(jié)束指示；有輸入電壓過(guò)低（＜3.61V）時(shí)的輸出鎖存功能、自動(dòng)再充電功能、電池溫度監(jiān)測(cè)功能；采用小尺寸、散熱加強(qiáng)性的10引腳DFN封裝；充電溫度范圍0～45℃或0～65℃(由充電電池參數(shù)決定)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
CN3059是磷酸鐵鋰離子電池的專用充電器IC，但它還有一個(gè)神奇的特點(diǎn)：外設(shè)一個(gè)電阻RVSET，它可以新增恒壓充電的輸出電壓。利用這個(gè)神奇的特點(diǎn)，可以組成簡(jiǎn)易的3節(jié)鎳氫電池充電器及4V鉛酸蓄電池充電器或鋰離子電池充電器。
由CN3059組成的充電器適合充0.5～4Ah的磷酸鐵鋰離子電池。其使用范疇：礦燈、LED應(yīng)急燈、警示燈；車(chē)模、船模、航模及電動(dòng)玩具；在照相機(jī)中，用3.2V磷酸鐵鋰離子電池替代一次性3V鋰離子電池（型號(hào)為CR123A），其外廓尺寸相同；通信裝置；小型醫(yī)療儀器及野外探測(cè)儀器；小型電動(dòng)工具等。另外，可采用CN3059組成充3節(jié)鎳氫電池及4V鉛酸蓄電池的充電器等。
封裝、引腳排列及功能
CN3059采用散熱加強(qiáng)型10引腳小尺寸DFN封裝，其引腳排列如圖1所示，各引腳功能如表1所示。
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IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
圖1CN3059引腳圖
緊要參數(shù)
CN3059的極限參數(shù)：各引腳的電壓范圍為-0.3～6.5V；bAT引腳與GND短路時(shí)間可繼續(xù)；靜電擊穿電壓為2kV；最高結(jié)溫為150℃；焊接溫度為300℃（10s）。
CN3059的電氣參數(shù)：電源輸入電壓范圍為4～6V；靜態(tài)電流典型值為650μA；低壓鎖存電壓為VIN≤3.61V；預(yù)存電閾值電壓是電池電壓小于2.05V；恒壓充電電壓3.6V；充電結(jié)束閾值電壓（ISET端電壓）為0.22V；睡眠模式閾值電壓為VIN－VbAT≤20mV；睡眠模式解除閾值電壓為VIN－VbAT≥50mV；TEMp端高溫閾值電壓為80%VIN，低溫閾值電壓為48%VIN。
典型使用電路
采用CN3059組成磷酸鐵鋰離子電池充電器電路與由CN3056組成的鋰離子充電器電路相比，前者有兩個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)：①精確測(cè)試充電電池的電壓，充電電池的終止充電電壓控制得更精確，使電池充的更滿；②采用在Fb端與電池正極之間加接一個(gè)電阻RVSET，使充電器除能充磷酸鐵鋰離子電池外，也可簡(jiǎn)單地組成充鉛酸蓄電池及鎳氫電池，擴(kuò)展了充電器功能。下面分別解析這2種典型使用電路。
1充磷酸鐵鋰離子電池電路
充電電池型號(hào)為26650，容量為2800mAH，采用1000mA恒流電充電（其充電率約0.36C），充電器電路如圖2所示。
圖2磷酸鐵鋰離子電池充電電路
充電器采用輸出直流電壓5V、輸出電流1500mA的AC/DC適配器作電源。用紅色LED作充電狀態(tài)指示燈，用綠色LED作充電結(jié)束指示燈。設(shè)定恒流充電電流ICH=1000mA，則RISET為：
RISET=1800V/1A=1.8k&（1）
CIN(10μF)及COUT(10μF)是為保證充電器工作穩(wěn)定的輸入及輸出電容，可采用多層陶瓷電容器（MLCC）。
這里重點(diǎn)解析精確電池電壓測(cè)試電路。圖3是一般電池電壓測(cè)試電路，圖4是精確電池電壓測(cè)試電路。圖3中，bAT端外接充電電池，內(nèi)接由R1、R2組成的電阻分壓器，其中間點(diǎn)為輸入誤差放大器，依據(jù)充電電池的實(shí)際電壓來(lái)對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電、恒流充電及恒壓充電。若在恒流充電時(shí)的充電電流為ICH、bAT端的電壓為VbAT，電池的電壓為VbAT。若bAT端到電池正極之間的金屬連接線的電阻為△R，則ICH電流從bAT端到電池正極間的電壓降VDROp=ICH△R，則VbAT=ICH△R+VbAT(VbAT＜VbAT）。充電電流越大，則VbAT與VbAT的差值越大。輸入到誤差放大器的電壓是VbAT的分壓而不是VbAT的分壓，因此出現(xiàn)電池實(shí)際電壓的測(cè)試誤差。再看圖4電路，bAT端向電池充電。另外，由電池正極加一條連接到Fb端，將電池電壓通過(guò)R1、R2分壓器后輸入誤差放大器。
圖3一般電池電壓測(cè)試電路
圖4精確電池電壓測(cè)試電路
粗看起來(lái)，F(xiàn)b端、電池正極端及bAT端是同電位的。但要留意的是從bAT端流到電池正極的電流是ICH，若連接線電阻為△R，其壓差VDROp=ICH△R；而若從電池正極流入Fb的電流是IFb，連接線電阻也為△R，則VbAR－VFb的壓差為IFb△R。因?yàn)镮CH往往是0.xA～1A，而IFb≈3μA，所以VbAT與VbAT的壓差較大，而VbAT與VFb之間的壓差甚小（VbAT＞VbAT＞VFb），用VFb端反饋到誤差放大器的電壓與電池的實(shí)際電壓更接近，即測(cè)試電池電壓更精確。這一種精確測(cè)量辦法也稱為開(kāi)爾文測(cè)試法（KeLvin）。用這辦法精確測(cè)試電池電壓可使電池的終止充電電壓更精確，電池也沖的更滿。
2充4V鉛酸蓄電池或3節(jié)鎳氫電池或鋰離子電池的電路
在Fb端與電池正極之間加一個(gè)RVSET電阻，可以調(diào)節(jié)恒壓充電的電壓這一特點(diǎn)，則除充磷酸鐵鋰離子電池外，還可組成簡(jiǎn)易4V鉛酸蓄電池或3節(jié)鎳氫電池充電器，電路如圖5所示。
圖5鉛酸蓄電池或鎳氫電池充電器電路
設(shè)定的終止充電電壓Vbat與RVSET的關(guān)系為：
Vbat（V）=3.6（V）+3.0410-6（A）RVSET（&）（2）
由于這種簡(jiǎn)易充電器設(shè)定了終止充電電壓，所以在充電過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)過(guò)充電的情況，即充電是安全的。但由于不同種類的電池有各自的充電程式及終止充電的測(cè)試辦法，因此用CN3059組成的簡(jiǎn)易充電器在洋溢程度上要差一些。另外，在充3節(jié)鎳氫電池時(shí)，由于充電器沒(méi)有每節(jié)電池均壓充電的電路，所充的電池應(yīng)是同一種型號(hào)、同一公司加工、同一組使用的電池，否則會(huì)造成由于電池的內(nèi)阻不同而出現(xiàn)的有的電池未洋溢，有的電池已過(guò)充電的情況。不同充電電池的RVSET值如表2所示。
為保證終止電壓的精度，采用的RVSET應(yīng)為1%精密電阻（E48、E96系列），溫度系數(shù)10010-6/℃。
圖6是一種充3.2V磷酸鐵鋰離子電池（S1打在下面）及充3.6V鋰離子電池（S1打在上面）的充電器電路。另外，它是恒流充電可選500mA（S2打在下面）或1000mA（S2打在上面）的充電電路。
圖63.2V磷酸鐵鋰離子電池及3.6V鋰離子電池充電器電路
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