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使用CL4056制作3.7V锂离子电池充电IC

电池充电IC是一种电路,通过向电池补充电荷载体(电子)来为电池充电。电池的充电取决于电池的类型。有许多类型的电池使用不同的电解质材料。无论哪种类型,电池都有一个常见的过充电和过放电问题。不同的电池对过度充电有不同的容忍限值。有些电池非常敏感,以至于在一定限度的充电后可能会爆炸。
 
为了避免过度充电和随之而来的电池损坏,需要设计一种智能充电电路。该电路将负责为电池充电,当达到过充电电压时,应切断充电过程。在本项目中,设计了锂离子电池的智能充电器。考虑充电的电池采用3.7 V规格。通过修改相同的电路,可以轻松设计具有不同电源电压规格的锂离子电池的电池充电器。
 
对于锂离子电池的充电,可以使用不同的方法。这些方法实际上是 电池充电的模式。基本上,有三种电池充电模式 -
 

  1. 涓流模式
  2. 恒流模式
  3. 恒压模式

 
本实验设计了输出功率为4.2V/1A的3.7V锂离子电池电池充电IC。为了设计可以实时监控充电过程的智能电路,使用了集成电路CL4056
 
充电IC为 3.7V锂离子电池提供足够的充电电流和电压。当电池充满电时,充电IC可以自动切断充电电流。因此,它降低了电池永久损坏的风险。


所需组件

锂离子电池充电器所需的组件列表
图1:3.7V锂离子电池充电器所需的组件列表

 

电路连接

在该电子项目中,使用3.7V锂离子电池来存储充电,当其终端电压达到4.2V时,该电池充满电。当任何电池充电时,其端子上的电压输出会不断增加。每个电池都有一个峰值终端电压值,电池已充满电。因此,电池的充电百分比也是通过测量终端电压来估计的。锂离子电池需要小心处理,因为电池可能会因过度充电而着火。因此,为了对锂离子电池进行充电,使用特殊的IC(如CL4056充电IC),当电池充满电时,它们会自动断开电池与输入电源的连接。
 
CL4056是一款专门设计的充电IC,用于为3.7V锂离子电池充电。这是一款具有恒定电流和恒定电压的线性电池充电器控制器。通过增加单个可编程电阻器,该充电IC可用于为3.7V锂离子电池充电。充电电压固定在4.2V,充电电流可以根据要充电的电池添加一些电阻器和电容器来设置。该充电IC可提供1A的最大充电电流。
 
该 IC 还提供内部热保护、电流限制和负充电电流。当电池充满电时,CL4056充电器会降低电流。因此,当电池处于高电位时,电流可能会从电池流向CL4056 IC。因此,由于内部PMOS会阻挡负电荷电流,因此无需添加额外的阻断二极管。当电池充满电时,充电IC会切断充电电流,从而避免电池损坏。
 
CL4056充电IC采用SOP封装,非常适合在便携式设备中使用。它还需要较少的外部元件,只需很少的电阻器和电容器。该充电IC需要最低4V至8V电压才能工作。该充电IC具有8个引脚,具有以下引脚配置 –

pin Name Function Description
1 TEMP 温度检测输入 如果 TEMP 引脚的电压低于电源电压 VIN 的 45% 或高于 80% 的时间超过 0.15 秒,则表示电池温度过高或过低,因此充电暂停。温度检测功能可通过将 TEMP 引脚接地来禁用。
2 PROG 恒定充电电流和充电电流监控器引脚 该引脚通过将此引脚上的一个电阻器RISSET连接到GND来设置。ISET 引脚上的电压可用于测量充电电流。
3 GND 接地端子 Ground
4 VCC 正输入电源电压 当输入电压降至BAT引脚电压的30mv以内时,CL4056进入低功耗休眠模式,将BAT引脚的电流降至2uA以下。
5 BAT 电池连接引脚 它必须连接到电池的正极。BAT 引脚为电池提供充电电流,并提供 4.2 V 的调节电压。
6 STDBY 开漏充电状态输出 在电池充电终止时,该引脚由一个内部开关拉低,否则处于高阻抗状态。
7 CHRG 开漏充电状态输出 当电池充电时,该引脚被一个内部开关拉低,否则处于高阻抗状态。
8 CE 芯片使能输入 该引脚上的高输入将使器件处于正常工作模式,否则IC将处于禁用模式。

 

CL4056充电IC具有自动充电功能。当电池电压降至约4.05V时,IC将再次开始其充电周期。这将再次重新启动电池的充电。它具有温度感。其引脚1或TEMP引脚连接到NTC(负温度系数)热敏电阻输出,该输出内置于电池组中。如果引脚电压低于电源电压的45%或高于80%超过0.15s,这意味着电池温度非常高或非常低,则它会停止电池充电。将此引脚接地可禁用温度检测引脚的功能。在本实验中,该引脚将接地,这将禁用温度检测引脚的功能。
 
对于3.7V锂离子电池的充电,也可以使用市场上现成的CL4056模块。该模块提供所有嵌入CL4056充电IC的组件,专为为单个3.7V锂离子电池充电而设计。为了全面了解充电器电路,该项目从头开始设计。
 
CL4056充电IC具有以下引脚图 –

CL4056IC的引脚图
图2:CL4056IC的引脚图

首先,需要为IC提供输入电源,然后为充电电池供电。充电IC上的以下引脚设计用于与外部电源连接 :
 
Gnd(引脚 3) – 为充电IC提供接地,需要连接到电池的负极。
Vcc(引脚 4) – 这是输入电源引脚。
 
因此,为IC提供输入电源。当电源电压降至BAT引脚电压的30mV以内时。然后CL4056进入休眠模式,并将提供给BAT引脚的电流降至2uA以下。BAT引脚是要连接电池的正极的位置。IC输入电压必须为4V至8V,才能正常工作。
 
在本实验中,为IC提供5V电源。电容器也从Vcc连接到地,以旁路不需要的电压尖峰和噪声。然而,大值的电容器需要与0.2欧姆至0.5欧姆的串联电阻(在电路图中显示为电阻R3)去耦,从而降低纹波电压。
 
其次,需要启用CL4056充电IC。对于此 CE(引脚 8) – 提供芯片使能。此引脚上的高输入使能CL4056充电IC,将此引脚拉低以禁用该充电IC。因此,该引脚已直接连接到电源电压以使能IC。
 
现在,必须根据所使用的电池设置充电电流。为此,提供了 Prog(引脚 2)。该引脚通过使用从引脚连接到地的可编程电阻器(RPROG)来决定电池充电电流。该引脚为连接在该引脚和地之间的外部电阻器提供一个 1V (VPROG) 的恒定基准电压。
 
恒定电流模式下的电压在此引脚上被调节在2V,在预充电模式下,电压被调节为0.2V。在恒流模式下,充电电流是流经该电阻的电流的1200倍。在两种模式(恒流和预充电模式)中,电压用于通过以下公式测量该引脚上的电流:
 
PROG 引脚上的电流,Iprog = ( VPROG/RPROG )
 
电池的充电电流可以计算如下:
 
Icharge = Iprog *1200
 
在这个实验中,将设置1A的充电电流(Icharge)来为电池充电。对于1A电流,电阻Rprog与此引脚连接到地(如电路图所示)。电阻Rprog的值可以计算如下:
 
Icharge = Iprog *1200  (如上文所述)
Icharge = (Vprog/ RPROG)*1200  (来自上面的Iprog方程)
RPROG = (Vprog/ Ibat)* 1200  (Icharge =1A 和 VPROG = 1V)
Rprog = (1/1)*1200
Rprog =  1.2k

显示可编程电阻以设置充电电流的电路图
图3:显示可编程电阻以设置充电电流的电路图

 

现在,电池可以连接到CL4056充电IC。为了连接电池,提供了BAT(引脚5)或电池连接引脚。电池的正极连接到此引脚。此BAT引脚为电池提供稳定的4.2V和充电电流。在本实验中,电容器与BAT引脚并联连接,BAT引脚连接到地面以绕过不需要的电压尖峰和噪声(如下图所示) -

电池与CL4056充电IC连接的电路图
图4:显示电池与CL4056充电IC连接的电路图

 

对于电池充电的视觉指示,可以使用CHRG(引脚7)或电池引脚的充电状态。当电池充电时,该引脚变低,否则将保持高阻抗状态。为了直观地指示电池充电,红色LED与该引脚串联的电阻(R2)连接,该引脚将在电池充电时亮起,否则它将保持关闭状态。电阻限制了来自LED的电流。
 
为了直观地指示电池完全充电,可以使用STDBY(引脚6)或充电终止状态引脚。当电池充满电时,该引脚变为低电平,否则将保持高阻抗状态。
 
在本实验中,为了进行视觉指示,绿色LED与该引脚上串联的电阻(R1)连接。当电池充满电时,此 LED 将亮起,否则将保持关闭状态。电阻限制了来自LED的电流。

显示充电和充电完成的电路图
图5:显示充电和充电完成的电路图,指示LED连接到CL4056

 

因此,该充电IC需要较少数量的外部元件。电池充满电时具有自动切断功能。它具有内部过压和热保护。该充电IC提供自动充电和完全充电,充电指示灯可与电池连接。
 
重要的是,在输入电源处应使用电容器,并与电池一起使用以滤除信号。这将减少不需要的电压尖峰,从而保护电池和IC免受损坏。电阻(电路图中的R3)应与输入电源处的大电容值串联,以保持低纹波电压。电池应按照IC上指示的极性连接,因为IC没有任何反极性保护电路。
 
在充电过程中,不应通过连接负载来放电电池。同时充电和放电会缩短电池寿命,并可能损害CL4056充电IC。输入电源必须提供给IC工作范围内的IC。此外,连接极性应正确。将电池连接到CL4056充电IC时,如果红色和绿色LED都亮起,则必须检查电池的电路连接。
电路的工作原理 –
在电池充电过程中,CL4056充电IC有三种基本模式。根据IC中的嵌入式特性,还有其他模式。这些模式可以从数据表的下图中观察到 -


 
显示CL4056IC充电模式的图表
图6:显示CL4056 IC充电模式的图表(来源 –CL4056数据表)

 

1涓流模式-

当电池电压低于2.8V时,IC将进入涓流充电模式,使电池电压处于安全模式。在这种模式下,充电电流(电池充电的电流值)降至满量程电流的13%(典型值为130mA)。当电池电压达到涓流电压(Vtrickle(2.9V)+ Delta Vtrickle(0.08V))以上时,IC进入恒流模式。在本实验中,充电电流为1A(由引脚2处的可编程电阻设置)。在涓流模式下,充电电流将下降,可以按如下方式计算
 
Itrickle = Icharge(充电电流)的13%
在我们的例子中,充电电流,Icharge = 1A
Itrickle = (13*1)/100
Itrickle = 130mA


2恒流模式-

流出PROG引脚的电流将是恒定的。该电流用于为电池充电,称为充电电流。在本实验中,该充电电流为1A(Icharge)(由引脚2处的可编程电阻器设置),电池将通过1A的恒定电流充电,直到电池的终端电压达到其最大额定电压(4.2V)。

 

3恒压模式-

现在,当电池电压达到 4.2 V的峰值时,电池电压将尝试超过4.2V。然后,IC将不允许更多的电流流过电池。在这种模式下,通过在电池上保持4.2 V的恒定电压,电流将慢慢开始下降(如上图所示)。

 

4待机模式-

在达到电池的最大电压(4.2V)后,当充电电流降至编程电流/充电电流的1/10Th时,IC会自动停止充电。在这个实验中,这个电流值可以计算如下
I =1/10* (充电 )充电电流
I = 1/10*(1)  (因为 Icharge = 1A)
I  = 0.1A
 
在此模式下,根据数据表,IC将消耗最大100uA电流。

 

5关机模式-

如果未连接RPROG引脚并且输入电压小于电池电压,则IC将处于关断模式。
测试 –


IC模块和电池的图像
图7:CL4056模块和电池的图像

提供给 IC 的输入电源为 5V DC,因此,Vin = 5V
CL4056提供的最大电流,Imax = 1A
 
电池 I 充电的充电电流为 1A(由 IC 引脚 2 处连接的可编程电阻器设置)。具有3000 mAH容量的3.7 V锂离子电池正在由电路充电。在将电池连接到CL4056之前,测量的初始电池电压Vbat为3.98V。当电池连接到CL4056时,电池Ibat消耗的电流为90mA。电池充满电所需的时间约为5小时。应该注意的是,该充电器专为锂离子3.7 V电池而设计。


电路图

锂离子电池充电器


电路图-CL4056-3.7V锂离子电池充电器   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-06-27 15:47