基于专用PWM芯片的锂电池充电电路设计

2021-06-17汪俊王毅

电子制作 2021年10期

汪俊，王毅

（南京铁道职业技术学院，江苏南京，210031）

0 引言

生活中的电源产品总体来分包括交流和直流电源，就具体产品而言，产品种类非常繁多，常见的有开关电源适配器[1]、各种干电池、锂电池和蓄电池等，锂电池无疑是发展比较快速的一类，随着锂电池在整个电池行业份额的不断增加，现在的大部分消费类电子产品，家用生活产品大部分都是采用锂电池作为供电电源。

当然随着锂电池应用越来越广泛，也带动了锂电池充电行业的加速发展，市场上的锂电池充电设备五花八门，比如有简单的恒压充电。但符合锂电池充电特性的并不多，锂电池充电时应首先进行恒流充电，当到达一定电压时要转换为恒压充电，同时应保证电池不可过充，达到上述条件，才可一定程度上增强锂电池的使用寿命。虽然市场上有相关锂电池充电的管理芯片，也具备恒流和恒压充电的特点，但电源转化效率不高。

利用恒流或恒压模式对锂电池进行充电，锂电池作为电源，对其进行恒压和恒流充电的电路装置也是电源，对于这类电源往往是以家用工频电源作为输入，通过不同电路结构转化成锂电池充电所需电压或电流值，电路结构可以采用线性电源，也可以采用其他方式，线性电源电路结构简单，市面上也有一些专门的线性电源专用芯片，很简单即可实现恒压输出，实现恒压充电，但电源部分转化效率低，能源利用率差，开关电源相对线性电源转化效率提高很多，有些可达到90%以上，极大的提高了能源利用率。

1 理论分析

电路设计的锂电池充电电源主要针对通用3S和4S锂电池，输出标准电压分别是11.1 V和14.8 V。以3S锂电池为例，标准电压为11.1V，满电电压是12.6V，对其充电的方式是，首先检测电池电压值，如果电池电压低于9V，首先进行恒流预冲，电流大小通常为设定电流的十分之一，以现在市场上现在5000到6000mAH的锂电池为例，大部分充电电流在2A左右，在预充电时，应以恒流200mA进行充电，随着充电的继续，电压上升到9V以后，进入标准2A电流充电，一直等到电压上升到12.6V 后进行恒压充电，维持输出电压不变，直到输出电流下降到200mA结束充电。

若以4S锂电池为例，充电过程如下：标准电压为14.8V，满电电压是16.8V，充电标准电流2A。从设计要求可见，为保证3S和4S锂电池均可正常充电，充电电路输出功率为33.6W，考虑实际情况并保有冗余，输出电压最大值设置18V，输出电流最大值为2.5A，即充电电路输出功率设计值为45W。

2 主要电路设计

根据设计要求，高效率的实现锂电池恒流和恒压充电，并可进行智能切换，同时具有过充保护，充电电压电流可调。电路结构示意图如图1所示。

图1 锂电池充电电路结构示意图

本装置由降压电路、继电器及其驱动电路、数据转换电路、采样电路、控制电路和显示电路等构成，其中可压控的降压电路是其中的核心部分，降压电路中利用脉宽调制芯片TL494[2-3]产生PWM控制降压电路通过控制控制端或采样部分电阻值均可调节输出电压值。恒压充电通过给单片机给控制端一个稳定的电压实现输出稳定进行恒压充电。恒流充电需通过采样确定电流值，然后和设置值进行对比，通过处理器调整TL494控制端电压值改变PWM维持恒流充电，继电器部分可在充电完成后对电路进行断电，满足过充保护。由于电池充电部分采用开关电源实现，很大程度上提高了转换效率。

（1）降压电路及参数计算

降压电路实现的功能是使220V工频交流转化成锂电池充电所需直流电。该电路首先需实现AC-DC的转化，转化后的DC再进行DC-DC[4]的转化，最终实现锂电池的充电电路输出在设计的范围内。其中AC—DC的输入值为220V工频交流电，输出需根据具体电路要求计算得出。

AC-DC的输出即为DC-DC的输入，由于DC-DC的输出通过分析最大值为18V，为满足3S锂电池充电，最小值设计为8V，即输出电压在8V-18V范围内。DC-DC电路中核心即为TL494脉宽调制芯片，该芯片的控制信号由外部输入，一路送往死区时间对应的比较器，还有一路送往误差放大器输入端，当死区时间控制输入端接地时，脉宽调制范围可达到96%。

AC-DC电路由AC-DC降压稳压电源模块成品模块实现，实现220V交流转变成24V直流，DC-DC电路部分由TL494作为核心部分，具体设计电路如图2所示。

如图2所示，为锂电池DC-DC充电降压核心电路，该电路为整个充电电路的核心部分，电路采用基本BUCK电路实现，通过PWM控制buck电路中的开关管改变脉冲宽度实现降压，其中PWM由TL494脉宽调制芯片获得，通过控制TL494的控制端，可调节输出PWM的脉冲宽度，进而改变输出电压或电流。

电路输入为24V直流，输出在8V-18V之间，根据计算输入和输出对应的脉宽如下：

8V直流输出时：

图2 锂电池DC—DC充电降压核心电路

18V直流输出时：

设计中TL494死区输入加电平占空比理论只能达到接近一半，设计中采用死去控制端接地，理论达到96%，满足设计要求。

TL494内部有两个误差放大器，分别常用于电压和电流采用，设计中采用引脚1和 2构成的误差放大器，输出采样电压通过放大器的同相输入端引入，通常反向输入端和误差放大器的输出通过内部5V参考电压构成的电路结构相连接，根据实际测试发现，若采样电阻为R1和R2，其中R2接地，电压采样端在R1和R2之间，输出电压由下式决定：

输出电压值有采样电路阻值和参考电压直接决定，最后稳定时，参考电压和采样值相等，达到动态平衡。设计中为使单片机能够直接控制TL494，进而控制PWM，把TL494接内部参考电压的端口改接数模转换器输出，最终由单片机对其进行控制。图2中，反馈采样电阻分别为4.7k和1k，其中1k可调接地，为后续微调提供便利。根据公式(3)，单片机控制电压范围为：

故单片机控制电压的范围为：1.4V≤Vcontrol≤ 3.2V，符合实际要求。

根据TL494特性，图2中R11和C2决定了脉冲频率，根据计算公式及图中参数值，其脉冲频率为：

在输出为8V和18V时，当开关管导通时，电感上的电压分别是16V和6V，锂电池充电初期当电压很小时，电流为200mA恒流充电，设计电路中要求输出纹波电流为最大20mA。根据上述数据结合占空比要求电感理论计算值分别为：

输出为8V时：

输出为18V时：

为保证符合设计要求并保有冗余，电路中电感值选取2mH, 4A线径。

开关管选择型号为IRF9540的功率MOS管，续流二极管采用1N5822，平均电流为3A，符合设计要求。

（2）其他电路

图1 中锂电池充电电路的结构示意图中，它包括单片机最小系统、电流和电压采样电路、按键控制和LED指示电路、继电器及驱动电路，放大及数据转换电路和显示电路等。

继电器及其驱动电路采用小功率三极管作为驱动管S9013构成开关电路驱动5V继电器，继电器采用单刀双掷的继电器，通过处理器控制，可实现外部电源和降压电路之间的连接控制，从而在电池充满后实现断电，对锂电池实现过充保护。

为节约成本，设计中单片机采用STC89S52实现，内部不含有数模转换模块，为电流采样放大电路，该电路由差分比例放大电路实现，如图3所示，电路可实现双端输入单端输出，特别适合对本电路中采样电阻两端差动电压进行放大。电路放大部分由OP07结合外围电阻电路实现，放大倍数设置为20倍，放大倍数的设置主要为保证采样点压输出电路适合作为数据转换芯片进行采集。

图3 电流采样放大电路

图2中电流采样电阻为0.1Ω,正常工作时，电流值恒流充电电流为0.2A和2A，电阻上产生的压降为0.02V和0.2V，由于电压小，所以此处选择低噪声运放OP07，输出电压放大20倍后变成0.4V和4V，电压范围在可采样范围内。

图4 模数转换电路

放大后的采样电阻上的采样电压通过TLC1543进行采样，它是10位AD转换芯片，转换精度相对较高，其参考电压通过基准源TL431提供，如图4所示，通过数据处理确定电路中提供给负载的电流值大小，若不满足要求，通过单片机控制，提供数字量设置转换芯片的输出模拟电压值，通过该模拟电压控制TL494控制端，进而改变其PWM，形成闭环，进而达到恒流的目的，实现电流的自动调节和稳定。

电压采样通过输出分压电路实现，采用TLC1543实现。按键控制和LED指示电路由两个按键和两个LED构成，通过按键可设置恒流充电时电流值得大小，设置了两个按键，一个增加一个减小，步进为0.1mA，LED指示灯设置了两个，一个为恒流充电指示灯一个是恒压充电指示灯。显示电路通过OLED实现，主要用于显示电流值，电压值，以及恒流还是恒压充电模式。