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基于CN3705和LM2596的锂电池充放电电路设计方案
发布时间：2017/12/18 11:27:00 来源：永阜康科技
目前，消费电子产品越来越多，如智能手机、平板电脑、PSP游戏机等电子产品，给人们的生活工作娱乐都提供了极大的方便。然而，这些电子产品都有一个共性的缺点就是自身锂电池的容量有限，经常因为没电了，导致我们的电子产品无法使用。为了解决给电子产品续航问题，设计了这款集锂电池充电和放电一体的电路。如图1所示。系统分为三个部分，CN3705锂电池充电电路，12V锂电池，LM2596锂电池放电电路。
1基于CN3705的锂电池充电电路
1.1CN3705芯片简介
CN3705为降压模式锂电池充电芯片，具有恒流恒压充电方式。对于深度放电的电池，当电池电压低于设定的恒压充电电压的66.7%时，CN3705采用恒流充电电流的15%对锂电池涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到外部电阻设定的值时，充电结束。芯片输入电压在12V到28V之间，最大工作频率为300kHz，输出最大电流为5。
1.2基于CN3705的设计电路
图2为CN3705构成的锂电池充电电路，电路结构为buck降压拓扑结构。输入电压在14V到28V之间，电路PWM开关频率为300kHz，最大输出电流为1.2A，最大输出电压为12.6V。适合给3节串联3.7V标准锂电池充电。
图2中，P沟道MOS管Q1、肖特基D2、电感L1以及电解电容C1构成经典的buck降压充电电路。Q1的选择要综合考虑转换效率、MOS管的功耗和最高温度。还要考虑的因素包括导通电阻Rds（on），栅极总电荷Qg，输入电压和最大充电电流。MOS管损耗功率计算公式如下所示：
1.3电感的选着和计算
在正常工作时，瞬态电感电流是周期性变化的。在MOS管导通期间，输入电压对电感充电，电感电流增加；在MOS管关断期间，电感向电池放电，电感电流减小。电感的纹波电流随着电感值的减小而增大，随着输入电压的增大而增大。有如下经验公式：
1.4工作方式
1.4.1恒压充电
如图2所示，电池端的电压通过电阻R2和R4构成的电阻分压网络反馈到FB管脚，CN3705根据FB管脚的电压决定充电状态。当FB管脚的电压接近2.416V时，充电器进入恒压充电状态。在恒压充电状态，充电电流逐渐下降，电池电压保持不变。恒压充电状态电池端对应的的电压为：
其中，Ib是FB管脚的偏置电流，其典型值为50nA。由于电阻R2和R4会从电池消耗一定的电流，在选取R2和R4的电阻值时，应首先根据所允许的消耗的电流选取R2R4的值，然后再根据上式分别计算R2和R4的值。这里R2和R4分别取值为510KΩ和120kΩ，得充电电压为Vbat=12.71V
1.4.2恒流充电
1.4.3涓流充电
在充电状态，如果电池电压低于所设置的恒压充电电压的66.7%，即电池电压为8.47V，充电器进入涓流充电模式，此时充电电流为所设置的恒流充电电流的15%，即电流为0.15A。
1.4.4充电结束
在恒压充电模式，充电电流逐渐减小当充电电流减小到EOC管脚的电阻所设置的电流时，充电结束。充电结束电流由下式决定：
R5为是从EOC管脚到地之间连接的电阻，单位为欧姆。设定充电结束电流为0.1A时，计算出R5=1.3kΩ。
1.4.5自动再充电
充电结束以后，如果输入电源和电池仍然连接在充电器上，由于电池自放电或者负载的原因，电池电压逐渐下降，当电池电压降低到所设置的恒压充电电压的91.1%时（即电压为11.58V），将开始新的充电周期，这样可以保证电池的饱满度在80%以上。
1.4.6温度监控
为了监测电池的温度，采用负热敏电阻NTC（如图2电路所示）紧贴电池。当电池的温度超出可以接受的范围时，充电将被暂时停止，直到电池温度回复到正常范围内。
锂电池的充电工作温度在0到45间，这里选取的负热敏电阻，满足在25时应该为10kΩ，在上限温度点时其电阻值应该大约为3.5kΩ（约对应50）；在下限温度点时其电阻值应该大约为32kΩ（约对应0）
2LM2596输出电路
2.1LM2596简介
LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz。此芯片还具有在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内；可以用仅80μA的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）。
2.2输出电路部分
LM2576有多种型号，这里选择固定输出5V的LM2596芯片。此电路构成非常简单，如电路图3。只需要输入电容C10、C11，肖特基二极管D3，电感L2，输出电容C12、C13即可。
输入滤波电容，输入耐压和电流均方根是输入电容的重要参数。当LM2596输入电压为12V时，铝电解电容的耐压压大于18V（1.5&TImes;Vin）。输入电容电流的均方根为输出负载电流的一半，为1.5A。根据图4所示，在曲线中，680μF/35V的电解电容满足要求。
输出滤波电容一般选择耐压值为10V的电解电容既可以，为了得到输出较小的纹波，输出电容尽量选择大点。这里选择电容值为220uH的电解电容，输出纹波即可在1%之内。
图4：电解电容耐压值，电流均方根，电容值关系
肖特基二极管D3这里选择5A/20V的IN5823既可以产生较好的效果。而且短路时也不会产生过载。
3小结
经过测试此电路系统可以正常稳定工作，CN3705锂电池充电电路工作效率可以达到91.0%；LM2596放电电路工作效率，当输出1.0A电流时工作效率可达84%，输出电路2.1A时，电路工作效率可达82.3%，当输出3.0A电路时电路工作效率为79%。且输出电压纹波均小于2%。
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