工程师,双节锂电池的充电电路,该采用什么芯片方案实现呢?

2020-01-15 20:21发布

工程师,在研发一些带有锂电池供电功能的项目,都会碰到一个类似的电路设计问题,也就是

如何设计锂电池的充电管理电路?

在不同的电路功能项目中,对锂电池的供电要求也是参差不齐;比如

  • 作为单片机系统的备用电源,工程师只需要采用单节锂电池即可实现,因为单片机的供电电压3.3V与单节锂电池3.7V较为接近吻合;

  • 作为门禁系统的供电电源,工程师则需要采用双节锂电池供电,因为双节锂电池可以增加门禁系统的工作时间;

  • 作为对讲机的系统电源,工程师则优先采用更多容量的锂电池供电,因为对讲机在工作时消耗的电能比较多,小容量电池会影响对讲机的使用体验;


单节锂电池的充电管理电路,工程师也许设计相应的电路比较多;对于双节锂电池的充电管理电路,工程师怎么去设计开发呢?

众所周知,工程师在开发设计某一功能的电路,基本是两种途径

1)途径一:采用分立电子元器件搭建

工程师通过电路设计经验,根据不同参数类型的电阻电容、二三极管、MOS管、继电器、LED灯、晶闸管/可控硅等等分立电子元器件设计电路,使其通过不同的形式组合构建所需要的功能;


电路设计

2)途径二:采用集成式芯片方案

相比较使用分立电子元器件,工程师可能更愿意使用集成式的芯片,主要的原因是电路设计简单,根据芯片规格书推荐使用的典型应用电路,按照实际的项目需求调整参数,即可实现相应的电路功能设计;

这两种途径,没有谁优谁劣之分,工程师在研发项目,往往都是同时结合这两种设计技巧,因为没有一种电路设计方式能解决所有的电路问题;

针对双节锂电池充电管理电路,芯片哥推荐使用采用集成式芯片方案,例如TP5100 QFN16;那么TP5100芯片具体是怎么实现双节锂电池充电管理功能的呢?

TP5100应用电路图



TP5100应用电路图


在TP5100应用电路图中,工程师较为清楚地了解其设计方案;整个应用电路系统的外围只需简单的电阻、电容、电感以及LED,就可以轻松实现双节锂电池充电管理方案的设计,其电路详细设计过程

  • VIN引脚,作为电池充电的输入电源,其工作范围为4.5V~18V;

  • CS引脚,作为TP5100充电功能的使能Enable引脚,工程师可以通过控制其逻辑电平的高低,控制锂电池的充电电压;一般接入外界的开关或者是MCU单片机,当CS=1时,则充电电压为8.4V,也就是选择了双节锂电池充电功能;

  • CHRG引脚,作为锂电池正在充电工作状态指示引脚,为了便于查看,工程师一般接入LED灯;

  • STDBY引脚,作为锂电池充电完毕指示引脚,同样为了便于查看,工程师一般接入LED灯;

  • BAT引脚,作为锂电池的充电电压输出引脚,工程师在电路设计中直接连接双节锂电池端;


TP5100芯片


如何设置充电电流

工程师在开发设计锂电池的充电电路,两个核心问题比较关注;

问题一:充电电流如何设置

在TP5100应用电路中,充电电流的大小,工程师可以通过调节修改R2电阻的阻值来实现;具体的量化计算公式为 I = 0.1/R2;例如

R2电阻阻值为0.1Ω时,锂电池的充电电流为1A;

R2电阻阻值为0.067Ω时,锂电池的充电电流为1.5A;

当然TP5100芯片最大只能支持充电电流为2A,工程师在具体项目电路设计需要注意;


问题二:充电电压何时启动与关闭

双节锂电池充电,它有一个充电周期过程,分为三个不同工作阶段


阶段一:预充涓流状态

在锂电池电压小于5.8V时,TP5100充电管理芯片启动预充涓流状态,对双节锂电池进行涓流充电;预充的涓流电流大小,工程师可以通过调节芯片的Pin12引脚RTRICK的下拉电阻阻值确定;

具体的量化计算方法举例说明

如若RTRICK下拉电阻阻值为0Ω,也就是直接接地GND,则预充的电流为0.1*I;

如若RTRICK下拉电阻阻值为50KΩ,则预充的电流为0.2*I;

如若RTRICK下拉电阻阻值为114KΩ,则预充的电流为0.3*I;

如若RTRICK下拉电阻阻值为320KΩ,则预充的电流为0.5*I;

如若RTRICK下拉直接悬空,则预充的电流为I;

I为恒流的充电电流,也即为0.1/R2;显然在TP5100应用电路图中,选择的是常见预充电流0.1*I;

阶段二:恒流状态

在进行完锂电池的预充状态后,TP5100芯片就会启动恒流充电阶段,此时的充电电流为I=0.1/R2;直至双节锂电池的电压接近8.4V,例如距离8.4V相差50mV,则关闭恒流充电状态;

至于涓流充电状态,何时结束,也是一个待解的疑问;需要与芯片设计公司的工程师做个技术详细沟通

阶段三:恒压状态

在双节锂电池的电压距离8.4V还相差50mV,也就是8.35V时,TP5100芯片则启动恒压充电阶段,直至双节锂电池电压达到8.4V;


经历完预充涓流、恒流以及恒压三个充电阶段,双节锂电池则完成了一个完整的充电周期;

锂电池在给其他电路系统供电后,其电压会逐渐降低;假如双节锂电池电压下降到8.1V时,TP5100则会重新启动新的充电周期;


工程师了解完锂电池的三个充电阶段,就能较好地回答问题二;

充电何时启动?

在双节锂电池电压小于5.8V时或者电压在由8.4V下降到8.35时,TP5100开始启动充电功能;

充电何时关闭?

在双节锂电池电压达到8.4V时,TP5100关闭充电功能;



电路设计注意事项

虽然TP5100芯片应用电路方案,可以解决工程师的双节锂电池充电管理电路设计问题;但在设计项目开发电路中,芯片哥还是建议依据具体的电路功能需求而选择设计;

在采用此方案过程中,需要引起工程师注意的内容

  1. TP5100芯片只能适合单节与双节锂电池充电项目;

  2. TP5100芯片最大只能设定的充电电流为2A;

  3. TP5100芯片最大只能支持输入的电压VIN为20V;


最后回到电路问题的本身,双节锂电池的充电管理电路,工程师该如何去设计?该采用什么芯片方案可以完成?TP5100只是其中一个电路解决方案,还存在其他的芯片方案,欢迎工程师一起参与交流讨论



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