基于LTC4020的充电机设计

孙川+王春芳

摘 要：文章基于电源管理芯片LTC4020为24V24AH锂电池组设计了一款充电机，其输入电压范围为12V～55V直流电压，输出电流、电压符合充电规律。同时设计了充电机的欠压保护、过流保护以及软启动等功能电路。最后通过实验对其进行了验证。

关键词：控制芯片LTC4020；升降压斩波器；充电机；锂电池

在设计充电机时，当电路输入电压在输出电压值（充电电压）上下变动时，很难设计出高效率的充电机，一般采用多个DC/DC变换器来达到升降压的目的。本文基于电源管理芯片LTC4020设计了一款充电机，其输入电压范围为12V～55V直流电压（和LTC4020输入电压范围相同），输出恒定电压为24V。LTC4020有锂电池和铅酸蓄电池两种充电模式，可实现输入欠压保护、电池过流和过放保护、电池温度保护以及软启动等各类保护等功能，充电电流精度可达±5%，浮充电压精度可达±0.5%。本设计采用锂电池充电模式，进行了相关实验验证。

1 充电机电路原理

如图1所示为充电机简化电路，通过控制芯片LTC4020控制四个开关管输出恒定电压为电池充电。LTC4020芯片总共38个引脚，其中TG2、GB2、BG1、TG1引脚分别作为开关管A、B、C、D的驱动，根据输入电压的变化使电路工作在Buck或Boost模式下输出恒定电压，并在开关管A、B附近通过检测电阻电压控制电路电流，防止电流过大。由BGATE引脚控制开关管E对电池充电，当BAT引脚检测电池电压充满时断开BGATE引脚，并在开关管E附近实时检测充电电流，防止过充。对主电路进行详细分析如图2所示。

图2所示为LTC4020控制芯片的主电路，VIN为宽范围输入电压12V～55V，开关管工作频率为250kHz，VOUT经P构造开关管E为电池充电，同时为负载供电以便电池欠压时也可正常工作。

主电路的工作原理如下：当输入VIN高于VOUT时，此时充电电路工作于降压（Buck）模式，开关管A（由TG1引脚驱动）和开关管B（由BG1引脚驱动）为PWM驱动以实现电能转换。理想状态下，开关管D（TG2引脚驱动）将持续导通而开关管C（由GB2引脚驱动）将保持断开状态，此时电路的工作状态类似于Buck拓扑电路。但在实际中，开关管D需要通过自举电路驱动导通，所以开关管C每个周期需导通150ns以更新驱动，为防止对地产生直通电流，开关管D在此时间内严禁导通，为此设计75ns死区时间保护电路。当VIN低于VOUT时，此时充电电路工作于升压（Boost）模式，开关管C和D为PWM驱动以实现电能转换。理想状态下，开关管A将持续导通，而开关管B将保持断开状态，此时电路的工作状态类似于Boost电路拓扑。但在实际中，开关管A同样应用了一个自举电路驱动导通，所以开关管B每个周期需导通100ns以更新驱动，为防止对地直通电流，设计75ns的死区时间。当VIN接近于输出时，将会控制充电电路工作于四开关（Buck-Boost）模式，即控制四个开关管均为PWM驱动的工作状态。

2 主电路参数计算

主电路中电感值选择的主要标准是电感中所产生的纹波决定的，一旦电感值确定后，电感中的饱和电流必须大于等于电感中的尖峰电流。通过设计最大理想纹波电流（△IMAX）计算电感值（L），纹波电流的范围一般是电感最大平均电流的0.2～0.5倍。当工作在降压模式时，纹波电流随着输入电压的增大而增大，当VOUT=VIN/2时，纹波电流达到最大值。当工作在升压模式时，纹波电流随着输出电压的增大而增大，当VIN=VOUT/2时，纹波电流达到最大值，所以应在最优方式下选择电感。

电感的最小值与最大纹波电流和操作频率的关系如下：

在降压模式下，VIN取最大的可操作电压，如果预期的输出电压范围中包含VIN（MAX）/2，则把此值带入VOUT，当VOUTVIN（MAX）/2时，VOUT取输出电压的最小值。

在升压模式下，VOUT（MAX）取最大的输出电压，如果VIN范围内包含VOUT（MAX）/2，则取VIN=VOUT（MAX）/2，如果VIN

3 实验验证

搭建了实验样机，采用18V输入电压，电感采用20uH，开关管工作频率为250kHz，输出恒定电压24V，并为锂电池（24V24AH）进行充电，充电曲线如图3所示。首先检测电池电压，因电池电压低于电池正常充电电压最小值即20.4V，首先为电池涓流预充电，充电电流很小，约20分钟后电池电压达到标准充电要求，此时进入恒流充电，此阶段电池电压急速增加，当电池电压接近饱和电压时进入最后的恒压充电，此阶段为电池提供25.2V的恒定电压，充电电流逐渐减小，4小时后充电电流接近为零，电池充满。

4 结束语

本文基于LTC4020的控制芯片，为24V24AH的锂电池组设计了一款充电机，该充电机的输入电压可在12V到55V直流之间变动。首先对芯片的外围电路原理进行了分析，然后对参数进行了理论计算，最后通过实验进行了验证。实验结果表明设计过程参数选择基本合理，该充电机可工作于宽范围的输入电压，较传统采用多个DC/DC转换器达到升降压目的方法具有体积小、效率高等特点符合要求。

参考文献

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