新型智能锂离子电池充电控制器LTC4007应用设计

电路

　　摘要：可充电锂离子电池充电器在生活中应用广泛，本文介绍了Linear公司推出的新型智能锂离子电池充电控制器LTC4007,该控制器能对多节锂离子电池进行大电流充电控制，且提供状态标示接口，便于外部扩展应用。实际应用表明，以LTC4007为核心设计的充电电路各项指标均能达到设计需求。
　　1.引言
　　随着高科技的发展，各种电子产品不断走向低功耗、微型化，以便于人们在生活中随身携带使用。这些产品有一个共同的特点，就是利用电池作为供电电源，比如手机、MP4、便携式测量设备等产品。电池的种类很多，当前广泛使用的是锂离子电池，这种电池与传统的铅酸和镍镉等电池相比，具有比能量高、自放电小、工作电压高、使用寿命长、污染小等优点，但锂离子电池也有自身的缺点，其对充电电流、电压、温度等都有严格要求，稍不小心，就可能导致电池受损、报废。
　　本文介绍的LTC4007EGN芯片是Linear公司新推出的一款锂离子电池智能充电控制器，其依据锂离子电池特性定制，具备对三节或四节锂离子电池组进行大电流恒流、恒压、定时充电、过热保护等多种功能，实际应用表明，该控制器能对锂电池组进行大电流充电，同时其小型SSOP24封装特别适合应用于集成度高、电路板空间有限的场合。
　　2.控制器简介
　　LTC4007封装如图1所示，其具有以下性能特点：
　　（1）对3节或4节锂离子电池组充电；
　　（2）转换效率高达96%;
　　（3）输出最大电流超过4A;
　　（4）充电电压精度可达±0.8%;
　　（5）内置过热保护功能；
　　（6）具备交流适配器电流限制功能；
　　（7）充电电流输出监测；
　　（8）工作状态标示：充电、C/10充电电流、适配器连接、电池低电压、输入电流限制、故障。

　　LTC4007是一种恒流/恒压的锂离子电池充电控制器，具有同步、准恒定频率、恒定关断时间的PWM控制结构，在使用陶瓷电容的情况下也不会产生听的见的噪声。利用电流设置电阻可以将充电电流精度控制到±5%,充电电流的大小通过控制器PROG管脚输出的电压监测。
　　充电电压通过控制器编程管脚可以设置为3节或4节，每节电压可设置为4.2V或4.1V.充电时间通过外部定时电阻设定。当电池电压低于3.9V/节时，控制器可以自动开始充电。
　　当每节电池电压低于2.5V时，电池电压过低标示警告，利用此标示LTC4007能设计自动涓流起始充电功能，避免损坏电池，当充电时间达1/4总充电时间，电池仍为低电压时停止充电，显示故障标示。

　　3.工作原理
　　LTC4007典型应用原理图如图2所示。结合原理图按功能对其工作原理进行介绍。
　　3.1 电池充电控制
　　充电时，应先连接待充电电池，然后开启电源进行充电，控制器首先检查电池电压，当电池电压低于2.5V/节时，先进行涓流充电，待电池电压上升到2.5V以上，进入恒流充电阶段，电池电压不断上升，当达到设定电压时，进入恒压充电阶段，直至充电定时时间截止。
　　充电过程中，控制器通过TGATE、BGATE管脚驱动PMOS管Q1和NMOS管Q2的周期通断来实现电池的充电控制。每个周期过程中，控制器首先驱动开启Q1,关闭Q2,外部电源对电池进行瞬间充电，然后关闭Q1,开启Q2,电池进行瞬间放电。TGATE、BGATE的电平时序图如图3所示。

　　3.2 电流设定
　　LTC4007能通过电阻RCL和RSENSE设定适配器的最大输出电流（0.1V/RCL）和最大充电电流（0.1V/RSENSE）。设计常用的参数如表1和表2所示。
　　从表1和表2可知，图2中适配器的最大输出电流为3A左右，最大充电电流均为3A.

　　3.3 充电电压设定
　　LTC4007通过管脚3C4C和CHEM设定充电电压。管脚3C4C设定电池节数，逻辑低时，表示3节；逻辑高时，表示4节。管脚CHEM设定每节电池充电电压，逻辑低时，表示4.1V/节；逻辑高时，表示4.2V/节。管脚接地时表示逻辑低，管脚悬空时表示逻辑高。表3详细描述了不同设定下的充电电压值VFINAL.由此可知，图2中的充电电压设定为16.8V.

　　3.4 定时时间设定
　　正常充电时间通过连接在管脚RT端的定时电阻RT设定，范围为1~3小时，误差在±15%以内。定时时长TtiMER用公式表示：
　　TTIMER=RT/154kΩ（小时）（1）
　　根据上述公式可知图2中的定时时长为2小时左右。
　　3.5 过热保护
　　LTC4007的管脚NTC端外接一个NTC热敏电阻网络，控制器内部不断采样该管脚的电压值，即热敏电阻网络输出的电压值来判断电池温度是否在安全范围内，图2中由器件C7、R9、THERMISTOR热敏电阻组成。当电压值超过设定的安全范围，则充电暂停，当电压值恢复到安全范围后，充电继续。通过在DCIN和NTC管脚间接入一个电阻可以禁止过热保护功能。
　　3.6 涓流充电
　　当锂离子电池电量耗尽时，直接对其进行大电流充电容易损坏电池，需先进行小电流充电，即涓流充电，当电池电压达到一定值之后再进行大电流充电。
　　图2中，LTC4007能自动对电压小于2.5V/节的电池进行涓流充电，充电电流为一般为1C的10%.当监测到电池电压小于2.5V/节时，管脚LOBAT 低电平，Q4关闭，连接在管脚PROG的电阻则增大RPROG=R6+R14,充电电流将减小，为300mA左右；当电池电压高于2.5V/节时，管脚LOBAT高电平，Q4短接R14,连接在管脚PROG的电阻变小，RPROG=R6,充电电流将增至3A.
　　4.应用实例
　　实际应用中需对4节锂离子电池组成的电池组（4.2V/节）进行充电，充电电流大小为4A,充电时间需3小时左右。
　　根据应用需求，设计中LTC4007管脚3C4C和CHEM悬空，即充电电压为16.8V;电阻RCL取0.025Ω，即适配器输出电流限制在4A左右；电阻RSENSE取0.025Ω，即充电电流限制为4A;电阻RT取499K,即充电时间为3小时左右。

　　LTC4007控制器通过检测电阻RSENSE两端的电压来控制恒流充电，因此，此处电压检测的准确性将影响到控制器能否正常进行充电。PCB设计中，在RSENSE两端需采用Kelvin连接方式，如图4所示。RSENSE接至控制器管脚CSP和BAT端，其CSP和BAT需差分走线，且走线长度尽量短。
　　在LTC4007的PCB设计中，除上述Kelvin连接外还需注意一下几个方面的问题。
　　（1）设计大电流充电时，需考虑线宽和相关芯片的散热，尤其是MOS开关管；
　　（2）电源输入端电容尽量接近INFET管和地端，且这部分需位于电路板同一面；充电输出端电容尽量接近电阻RSENSE;
　　（3）充电回路尽量短，且相关器件需位于电路板同一面；
　　（4）电路模拟地和信号地需分开，最后通过0Ω电阻短接，相关元器件接地端需就近接地，同时敷地铜以改善EMI性能。
　　充电电路板对锂离子电池组充电的试验测试数据如表4所示。锂离子电池组初始电压为15.2V.

　　5.结束语
　　单节锂离子电池小电流充电控制器种类繁多，但多节锂离子电池组大电流充电的智能控制器较少，Linear公司推出的LTC4007智能充电控制器具有封装小，能根据设计需求设定充电电压、充电电流，同时具备限流、定时、过热保护的功能，其提供的各种状态标示接口，能满足扩展设计的需求。在实际应用中，以LTC4007控制器为核心设计的充电器能对4节锂电池组成的电池组进行4A大电流，各项指标均达到设计需求。（作者：黄毅，徐锦仁）

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