CN211018308U - 基于充电管理芯片的锂电池充电电路 - Google Patents

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尹长彬
申鹏
徐敬舟
高文晶
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Abstract

本实用新型涉及一种基于充电管理芯片的锂电池充电电路，包括一个充电管理芯片、一个同步降压‑升压DC/DC转换器、一个电感器、两个监视电感器电流的检测电阻、输入滤波电容、输出滤波电容、及充电管理芯片的外围电路，其中，充电管理芯片采用型号为LTC4020的芯片，同步降压‑升压DC/DC转换器采用四个高效开关管组成，该电路装入便携式电源适配器中，通过电源电缆连接便携式塔康设备和锂电池。有益效果是，输入电压范围宽，浮动电压准确度高，充电电流准确度高，对严重放电电池可实现即时接通，接线方便，工作稳定，便于维护。

Description

基于充电管理芯片的锂电池充电电路
技术领域
本实用新型涉及一种便携式塔康设备电源适配器，特别涉及一种基于充电管理芯片的锂电池充电电路。
背景技术
在传统地面导航设备中，常用铅酸蓄电池供电，铅酸蓄电池充电形式简单，但体积大，重量大，不易携带，不适用于便携式设备。因此便携式设备只能采用体积小，重量轻的锂电池供电，也就需要便携式的具有为锂电池充电功能的电源适配器。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本实用新型提供一种基于充电管理芯片的锂电池充电电路，该充电电路具备输入电压范围宽，浮动电压准确度高，充电电流准确度高，对严重放电电池可实现即时接通等特点。具体技术方案是：一种基于充电管理芯片的锂电池充电电路，包括一个充电管理芯片N1、一个同步降压-升压DC/DC转换器、一个电感器L1、两个监视电感器电流的检测电阻R2和R3、输入滤波电容C1-C9、输出滤波电容C12-C21、及充电管理芯片的外围电路，其中，充电管理芯片N1采用型号为LTC4020的芯片，同步降压-升压DC/DC 转换器采用四个高效开关管V2-V5组成，其特征在于：电路连接为，C1-C9分别并联在输入端和功率地两端，C12-C21分别并联在输出端和功率地两端，N1的1脚接R7一端，R7另一端接V2的栅极、31脚接R6一端，R6另一端接V5的栅极，V2的漏极与V5的源极相连，然后连接到L1的一端，同时连接到N1的38脚，N1的35脚接R5一端，R5另一端接V3的栅极；N1的33脚接R4一端，R4另一端接V4的栅极；V3的漏极与V4的源极相连，然后连接到L1的另一端，同时连接到N1的32脚。L1的另一端还接V1的阳极，V1的阴极接V3的源极接输出端。V4的漏极接功率地，N1的36脚接R1一端，R1另一端接输入端，C10并接到 N1的36脚和功率地两端，N1的34脚接C22的一端，C22的另一端接N1的35脚和功率地；N1的34脚接V6的阳极，V6的阴极接N1的30脚；C23和V8均并联在N1的30脚和32 脚两端，V8的阳极接N1的32脚，阴极接N1的30脚，N1的28脚接C24一端，C24另一端接信号地，N1的28脚接R9一端，R9另一端接C27一端，C27另一端接信号地，N1的27脚接C26一端，C26另一端接信号地；N1的27脚接R11一端，R11另一端接C28一端，C28另一端接信号地，N1的24脚接电容C31一端，C31另一端接信号地，N1的25脚接电容C30 一端，C30另一端接信号地，N1的26脚接R14一端，N1的19脚接R14另一端接，然后R14 另一端分别接R12一端和R16一端，R12另一端接R13一端，R13另一端接输出端，R16另一端接N1的18脚，N1的23脚接R17一端，R17另一端接输出端；N1的23脚接R19一端，R19另一端接C32一端，N1的22脚接C32另一端，同时接R24一端，R24另一端接R20 一端和V9的漏极，R20另一端接输出端，N1的21脚接R25一端，R25另一端接V9的栅极，C33并联在V9的栅极和漏极两端；N1的20脚接V9的源极；N1的18脚接R29一端， R29另一端接N1的17脚同时接R30一端，R30另一端接R31一端，R31另一端接V9的源极；C36并联在R29两端，N1的2脚接R8的一端，R8的另一端V7的阴极和C25的一端， V7的阳极接N1的34脚，C25另一端接N1的38脚，N1的6脚接V2的源极，同时连接到R2 和C11的一端，R2与C11的另一端接输入端，N1的5脚接电阻R15一端，R15另一端连接 V5的漏极和R3的一端，R3另一端连接功率地，N1的4脚接电阻R10一端，R10另一端接功率地；C29并联在N1的4脚和N1的5脚两端，N1的7脚与10脚相连并连接到输入端，R21 并联在N1的7脚与9脚两端，R22并联在N1的9脚与信号地两端，N1的8脚接R18一端， R18另一端接信号地，N1的11脚接R23一端，R23另一端接信号地，N1的12脚接R26的一端，R26的另一端接V10的一个阴极，N1的13脚接R27的一端，R27的另一端接V10的另一个阴极，V10的阳极接N1的34脚，N1的14脚接C34一端，C34另一端接信号地，N1的 15脚接C35一端，C35另一端接信号地，N1的16脚接R28一端，R28另一端接信号地，N1 的3脚、29脚、39脚均接信号地，
信号地与功率地在印制板上单点连接。
本实用新型有益效果是，输入电压范围宽，浮动电压准确度高，充电电流准确度高，对严重放电电池可实现即时接通，该电路装入便携式电源适配器中，通过电源电缆连接便携式塔康设备和锂电池，接线方便，工作稳定，便于维护。
附图说明
图1是本实用新型的电路原理图。
具体实施方式
为了更清楚的理解本实用新型，结合附图和实例详细描述本实用新型。
如图1所示，基于充电管理芯片的锂电池充电电路，包括一个充电管理芯片N1、一个同步降压-升压DC/DC转换器、一个电感器L1、两个监视电感器电流的检测电阻R2和R3、输入滤波电容C1-C9、输出滤波电容C12-C21、及充电管理芯片的外围电路，其中，充电管理芯片N1采用型号为LTC4020的芯片，同步降压-升压DC/DC转换器采用四个高效开关管V2-V5组成。
LTC4020是ADI公司推出的一款充电管理芯片，广泛应用于便携式工业和医疗设备、太阳能供电型系统、军用通信设备、12V至24V嵌入式汽车系统等。
LTC4020是一款高电压电源管理器，可以在宽输入电压范围内实现即时接通操作和高效率电池充电。其内部配置DC/DC控制器可在电池或系统电压高于、低于或等于输入电压情况下运作。LTC4020能够针对负载变化、电池充电要求和输入电源限制条件无缝地管理电池和转换器输出之间的功率分配。该芯片可提供一种恒流恒压(CC/CV)充电算法、恒流充电 (CC)、或者运用一种经过优化的4步3级铅酸电池充电模式进行充电。最大转换器和电池充电电流可由电阻器进行设置。
技术指标如下：
输入电压范围(VIN)：20V～30V；
输出电压(Vout)：28V
输出电流(IMAX)：6.3A
电池充电电压(VBAT)：25.9V
最大充电电流(IBATMAX):10A
LTC4020芯片共39个引脚，下面结合本实用新型实际情况对它的39个外部引脚进行简要介绍和说明，并对本实用新型部分器件取值给出说明：
TG1(Pin1)：输入端N沟道MOS管V2的栅极驱动引脚，本设计中R7＝0Ω。
BST1(Pin2)：输入端N沟道MOS管的升压供电通道，1A肖特基二极管V7的阴极与此引脚相连，阳极接INTVcc(Pin34)引脚。本设计中R8＝0Ω。
SENSGND(Pin4)：功率地的开尔文连接，用于SENSBOT(Pin5)电流检测参考地。本设计中R10＝0Ω。
SENSBOT(Pin5)：接地参考电流检测放大器输入端。通过功率地参考电流检测电阻R3监测电感电流。通常与输入端同步开关N沟道MOS管V5的源极串联，该引脚通过开尔文连接方式连接到检测电阻。电感电流被限制在最大平均电感电流(ILMAX)之内， ILMAX对应于50mV通过检测电阻R3的电流值，即：
Figure 230677DEST_PATH_GDA0002448010520000031
本设计中选用R3＝3mΩ，即ILMAX≈16.7A。
设置R2＝R3，见SENSTOP(Pin6)中的描述。
本设计中R15＝0Ω。
SENSTOP(Pin6)：输入端参考电流检测放大器输入端。通过输入端参考电流检测电阻R3监测电感电流。通常与输入端同步开关N沟道MOS管V2的漏极串联，该引脚通过开尔文连接方式连接到检测电阻。电感电流被限制在最大平均电感电流(ILMAX)之内。 ILMAX对应于50mV通过检测电阻R2的电流值，即：
Figure 429577DEST_PATH_GDA0002448010520000041
本实用新型中选用R2＝3mΩ，即ILMAX≈16.7A。
R2两端并联电容C11以减小噪声。
SENSVIN(Pin7)：输入电源的开尔文连接，用于SENSTOP(Pin6)的电流检测参考。
RT(Pin8)：系统振荡频率控制端此引脚到信号地之间连接一个电阻R18，电阻值范围从50kΩ到500kΩ，可以设置系统振荡频率为500kHz到50kHz的值。
本实用新型中选用R18＝100kΩ，设置工作频率为250kHz。
SHDN(Pin9)：停机控制引脚，阈值为1.225V，当该引脚电压低于阈值时，芯片停止工作，通过分压电阻R21、R22连接到输入端，可实现输入欠压保护功能。
VIN_REG(Pin10)：输入电压调节参考。当该引脚电压下降到2.5V以下时，电池充电电流被减小。可以通过分压电阻连接到输入端，实现当输入电源因不能提供更高的电流而导致输入电压被拉低时，减小充电电流的功能。
本实用新型中未使用此功能，将该引脚直接与输入端电源相连接。
MODE(Pin11)：充电模式控制引脚。用于控制充电模式。LTC4020共有三种充电模式，见表1：
表1
序号 MODE(Pin11)引脚连接方式 充电方式
1 连接到信号地 CC/CV充电模式
2 连接到INTVCC(Pin34) 4步3级铅酸电池充电模式
3 悬空 CC充电模式
本设计中该引脚连接R23到信号地，设置R23＝0Ω，使其工作在CC/CV充电模式。
STAT1(Pin12)：集电极开路状态输出，即指示灯状态引脚。详细描述见STAT2(Pin13)。
STAT2(Pin13)：集电极开路状态输出，即指示灯状态引脚。在CC/CV工作状态下，该两个引脚状态见表2：
表2
Figure 98456DEST_PATH_GDA0002448010520000051
TIMER(Pin14)：定时器周期设置引脚。用于设定整个充电周期的最长时间。此引脚连接一个电容到地，可设定充电周期。在CC/CV模式下，如果不想应用定时器功能，将此引脚连接到地。
充电周期按下式算法计算：
TEOC＝CTIMER×1.46×107………………………………(式3)
在CC/CV或铅酸充电算法中，如果电池电压在TEOC/8的时间内没有达到前置阈值电压，将产生严重的电池故障。
本实用新型中设置C32＝0.47μF，充电周期6.8小时。
RNG/SS(Pin15)：充电电流调节/软启动引脚。该引脚允许动态调整最大充电电流，并可用于软启动功能。在此引脚上设置电压值减小设置值的最大充电电流。最大充电电流减少到设置电流的比例对应引脚上设置的电压值。该引脚有效范围是0到1V。
软启动功能通过连接一个电容到信号地实现，这样充电电容器所需的时间就是所需的软启动间隔。该设计中C35＝0.22μF。
NTC(Pin16)：电池温度监测引脚，该引脚连接电池包内部的NTC，用于监测电池包温度，超出范围将会关闭充电器。
VFB(Pin17)：电池电压反馈引脚。电池电压通过一个从BAT(Pin20)到FBG (Pin18)电阻分压网络来设定。在CC/CV充电模式下，电池电压参考：
浮充电压：VFLOAT＝2.5V；
涓流充电电压：VTRK＝1.75V；
自动重启电压：VRESTART＝2.4375V。
FBG(Pin18)：电压反馈分压电阻的公共地引脚。次引脚包含一个低阻抗通道到信号地，用作分压电阻网络的参考地。当输入端不提供电源或芯片关断时，这个引脚变为高阻抗，消除来自电池连接分压网络的漏电流。
VFBMIN(Pin19)：用于设定负载输出的最低电压。本设计中此引脚与VFBMAX(Pin26)。
BAT(Pin20)：电池电压监测引脚。此引脚与电池相连，当输入端电源去掉后，将通过BGATE(Pin21)打开P沟道MOS管V9，使电池为负载供电。
BGATE(Pin21)：P沟道MOS管的栅极驱动输出。连接V9的栅极，此设计中电阻 R25＝0Ω。
CSN(Pin22)：电池充电电流检测负输入端。此引脚通过一个100Ω电阻连接到电池充电电流检测电阻的负端。检测电阻的值与最大电池充电电流符合相应关系：
R20＝0.05/ICSMAX………………………………(式4)
本实用新型中R17＝100Ω，检测电阻R20＝0.005Ω。限定最大充电电流为10A
CSP(Pin23)：电池充电电流检测负输入端。连接方法与形式通CSN(Pin23)。设计R18＝100Ω。
CSOUT(Pin24)：电流检测运放输出和充电电流监测。连接一个电容C37＝100pF到信号地。该引脚输出阻抗为100kΩ，因此为了监测任何负载必须为高阻抗，检测输出电压符合下式：
VCSOUT＝0.25+20×(VCSP-VCSN)………………………………(式5)
该引脚仅在当电池充电功能工作时起作用，在充电循环结束后或在故障期间。该引脚电压被拉到1V。
ILIMIT(Pin25)：动态调节最大电感电流。该引脚允许动态调整DC/DC转换器的最大平均电感电流，并可作为软启动功能。在此引脚上设置电压值减小设置值的最大平均电感电流。电感电流减少到设置电流的比例对应引脚上设置的电压值。该引脚有效范围是0到1V。
VFBMAX(Pin26)：用于设定负载输出的最高电压。本设计中此引脚与VFBMIN(Pin19)，设置R14＝0Ω。
ITH(Pin27)：DC/DC转换器电压环路补偿端。
VC(Pin28)：DC/DC转换器电流环路补偿端。
BST2(Pin30)：输出端N沟道MOS管的升压供电通道，1A肖特基二极管V8的阴极与此引脚相连，V6阳极连接到INTVCC(Pin34)。C23＝1μF并联到该引脚到SW2 (Pin23)引脚两端。
TG2(Pin31)：输入端N沟道MOS管V3的栅极驱动引脚。本设计中R5＝0Ω。
SW2(Pin32)：用于升压开关的交换节点。将开关电感器连接到此引脚。连接主开关V4的漏极到同步开关V3的源极。
BG2(Pin33)：输出端主开关V4的栅极驱动输出，设计中R4＝0Ω。
INTVCC(Pin34)：升压驱动更新电源。该电源调节到5V并且电流限制在150mA。连接一个陶瓷电容从此引脚到功率地。不推荐此引脚接外部供电5V电路。
PGND(Pin35)：开关高电流返回路径，用于升压和降压同步开关，即功率地。
PVIN(Pin36)：高电流输入电源端。连接一个耦合电容到功率地。本设计中C53＝0.1 μF。
BG1(Pin37)：输入端同步开关V5的栅极驱动输出，设计中R6＝0Ω
SW1(Pin38)：用于降压开关的交换节点。将开关电感器连接到此引脚。连接主开关V2的源极到同步开关V5的漏极。
SGND(Pins3，29，Exposed Pad39)：信号地，与功率地在PCB印制板上单点接地。

Claims (1)

1.一种基于充电管理芯片的锂电池充电电路，包括一个充电管理芯片N1、一个同步降压-升压DC/DC转换器、一个电感器L1、两个监视电感器电流的检测电阻R2和R3、输入滤波电容C1-C9、输出滤波电容C12-C21、及充电管理芯片的外围电路，其中，充电管理芯片N1采用型号为LTC4020 的芯片，同步降压-升压DC/DC转换器采用四个高效开关管V2-V5组成，其特征在于：电路连接为，C1-C9分别并联在输入端和功率地两端；C12-C21分别并联在输出端和功率地两端，N1的1脚接R7一端，R7另一端接V2的栅极、31脚接R6一端，R6另一端接V5的栅极，V2的漏极与V5的源极相连，然后连接到L1的一端，同时连接到N1的38脚，N1的35脚接R5一端，R5另一端接V3的栅极；N1的33脚接R4一端，R4另一端接V4的栅极；V3的漏极与V4的源极相连，然后连接到L1的另一端，同时连接到N1的32脚，L1的另一端还接V1的阳极，V1的阴极接V3的源极接输出端，V4的漏极接功率地，N1的36脚接R1一端，R1另一端接输入端，C10并接到N1的36脚和功率地两端，N1的34脚接C22的一端，C22的另一端接N1的35脚和功率地，N1的34脚接V6的阳极，V6的阴极接N1的30脚，C23和V8均并联在N1的30脚和32脚两端，V8的阳极接N1的32脚，阴极接N1的30脚，N1的28脚接C24一端，C24另一端接信号地，N1的28脚接R9一端，R9另一端接C27一端，C27另一端接信号地，N1的27脚接C26一端，C26另一端接信号地，N1的27脚接R11一端，R11另一端接C28一端，C28另一端接信号地，N1的24脚接电容C31一端，C31另一端接信号地，N1的25脚接电容C30一端，C30另一端接信号地，N1的26脚接R14一端，N1的19脚接R14另一端接，然后R14另一端分别接R12一端和R16一端，R12另一端接R13一端，R13另一端接输出端，R16另一端接N1的18脚，N1的23脚接R17一端，R17另一端接输出端，N1的23脚接R19一端，R19另一端接C32一端；N1的22脚接C32另一端，同时接R24一端，R24另一端接R20一端和V9的漏极，R20另一端接输出端，N1的21脚接R25一端，R25另一端接V9的栅极，C33并联在V9的栅极和漏极两端，N1的20脚接V9的源极，N1的18脚接R29一端，R29另一端接N1的17脚同时接R30一端，R30另一端接R31一端，R31另一端接V9的源极，C36并联在R29两端，
N1的2脚接R8的一端，R8的另一端V7的阴极和C25的一端，V7的阳极接N1的34脚，C25另一端接N1的38脚，N1的6脚接V2的源极，同时连接到R2和C11的一端，R2与C11的另一端接输入端，N1的5脚接电阻R15一端，R15另一端连接V5的漏极和R3的一端，R3另一端连接功率地，N1的4脚接电阻R10一端，R10另一端接功率地，C29并联在N1的4脚和N1的5脚两端，N1的7脚与10脚相连并连接到输入端，R21并联在N1的7脚与9脚两端，R22并联在N1的9脚与信号地两端，N1的8脚接R18一端，R18另一端接信号地，N1的11脚接R23一端，R23另一端接信号地，N1的12脚接R26的一端，R26的另一端接V10的一个阴极，N1的13脚接R27的一端，R27的另一端接V10的另一个阴极，V10的阳极接N1的34脚，N1的14脚接C34一端，C34另一端接信号地，N1的15脚接C35一端，C35另一端接信号地，N1的16脚接R28一端，R28另一端接信号地，N1的3脚、29脚、39脚均接信号地，信号地与功率地在印制板上单点连接。
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