使用CL4056制作3.7V鋰離子電池充電IC

電池充電IC是一種電路，通過向電池補充電荷載體（電子）來為電池充電。電池的充電取決于電池的類型。有許多類型的電池使用不同的電解質材料。無論哪種類型，電池都有一個常見的過充電和過放電問題。不同的電池對過度充電有不同的容忍限值。有些電池非常敏感，以至于在一定限度的充電后可能會爆炸。
 
為了避免過度充電和隨之而來的電池損壞，需要設計一種智能充電電路。該電路將負責為電池充電，當達到過充電電壓時，應切斷充電過程。在本項目中，設計了鋰離子電池的智能充電器?？紤]充電的電池采用3.7 V規格。通過修改相同的電路，可以輕松設計具有不同電源電壓規格的鋰離子電池的電池充電器。
 
對于鋰離子電池的充電，可以使用不同的方法。這些方法實際上是 電池充電的模式?；旧?，有三種電池充電模式 -
 

1. 涓流模式
2. 恒流模式
3. 恒壓模式

 
本實驗設計了輸出功率為4.2V/1A的3.7V鋰離子電池電池充電IC。為了設計可以實時監控充電過程的智能電路，使用了集成電路CL4056。
 
該充電IC為 3.7V鋰離子電池提供足夠的充電電流和電壓。當電池充滿電時，充電IC可以自動切斷充電電流。因此，它降低了電池永久損壞的風險。

所需組件

圖1：3.7V鋰離子電池充電器所需的組件列表

電路連接

在該電子項目中，使用3.7V鋰離子電池來存儲充電，當其終端電壓達到4.2V時，該電池充滿電。當任何電池充電時，其端子上的電壓輸出會不斷增加。每個電池都有一個峰值終端電壓值，電池已充滿電。因此，電池的充電百分比也是通過測量終端電壓來估計的。鋰離子電池需要小心處理，因為電池可能會因過度充電而著火。因此，為了對鋰離子電池進行充電，使用特殊的IC（如CL4056充電IC），當電池充滿電時，它們會自動斷開電池與輸入電源的連接。
 
CL4056是一款專門設計的充電IC，用于為3.7V鋰離子電池充電。這是一款具有恒定電流和恒定電壓的線性電池充電器控制器。通過增加單個可編程電阻器，該充電IC可用于為3.7V鋰離子電池充電。充電電壓固定在4.2V，充電電流可以根據要充電的電池添加一些電阻器和電容器來設置。該充電IC可提供1A的最大充電電流。
 
該 IC 還提供內部熱保護、電流限制和負充電電流。當電池充滿電時，CL4056充電器會降低電流。因此，當電池處于高電位時，電流可能會從電池流向CL4056 IC。因此，由于內部PMOS會阻擋負電荷電流，因此無需添加額外的阻斷二極管。當電池充滿電時，充電IC會切斷充電電流，從而避免電池損壞。
 
CL4056充電IC采用SOP封裝，非常適合在便攜式設備中使用。它還需要較少的外部元件，只需很少的電阻器和電容器。該充電IC需要最低4V至8V電壓才能工作。該充電IC具有8個引腳，具有以下引腳配置 –

CL4056充電IC具有自動充電功能。當電池電壓降至約4.05V時，IC將再次開始其充電周期。這將再次重新啟動電池的充電。它具有溫度感。其引腳1或TEMP引腳連接到NTC（負溫度系數）熱敏電阻輸出，該輸出內置于電池組中。如果引腳電壓低于電源電壓的45%或高于80%超過0.15s，這意味著電池溫度非常高或非常低，則它會停止電池充電。將此引腳接地可禁用溫度檢測引腳的功能。在本實驗中，該引腳將接地，這將禁用溫度檢測引腳的功能。
 
對于3.7V鋰離子電池的充電，也可以使用市場上現成的CL4056模塊。該模塊提供所有嵌入CL4056充電IC的組件，專為為單個3.7V鋰離子電池充電而設計。為了全面了解充電器電路，該項目從頭開始設計。
 
CL4056充電IC具有以下引腳圖 –

圖2：CL4056IC的引腳圖

首先，需要為IC提供輸入電源，然后為充電電池供電。充電IC上的以下引腳設計用于與外部電源連接 ：
 
Gnd（引腳 3） – 為充電IC提供接地，需要連接到電池的負極。
Vcc（引腳 4） – 這是輸入電源引腳。
 
因此，為IC提供輸入電源。當電源電壓降至BAT引腳電壓的30mV以內時。然后CL4056進入休眠模式，并將提供給BAT引腳的電流降至2uA以下。BAT引腳是要連接電池的正極的位置。IC輸入電壓必須為4V至8V，才能正常工作。
 
在本實驗中，為IC提供5V電源。電容器也從Vcc連接到地，以旁路不需要的電壓尖峰和噪聲。然而，大值的電容器需要與0.2歐姆至0.5歐姆的串聯電阻（在電路圖中顯示為電阻R3）去耦，從而降低紋波電壓。
 
其次，需要啟用CL4056充電IC。對于此 CE（引腳 8） – 提供芯片使能。此引腳上的高輸入使能CL4056充電IC，將此引腳拉低以禁用該充電IC。因此，該引腳已直接連接到電源電壓以使能IC。
 
現在，必須根據所使用的電池設置充電電流。為此，提供了 Prog（引腳 2）。該引腳通過使用從引腳連接到地的可編程電阻器（RPROG）來決定電池充電電流。該引腳為連接在該引腳和地之間的外部電阻器提供一個 1V （VPROG） 的恒定基準電壓。
 
恒定電流模式下的電壓在此引腳上被調節在2V，在預充電模式下，電壓被調節為0.2V。在恒流模式下，充電電流是流經該電阻的電流的1200倍。在兩種模式（恒流和預充電模式）中，電壓用于通過以下公式測量該引腳上的電流：
 
PROG 引腳上的電流，Iprog = （ VPROG/RPROG ）
 
電池的充電電流可以計算如下：
 
Icharge = Iprog *1200
 
在這個實驗中，將設置1A的充電電流（Icharge）來為電池充電。對于1A電流，電阻Rprog與此引腳連接到地（如電路圖所示）。電阻Rprog的值可以計算如下：
 
Icharge = Iprog *1200  （如上文所述）
Icharge = （Vprog/ RPROG）*1200  （來自上面的Iprog方程）
RPROG = （Vprog/ Ibat）* 1200  （Icharge =1A 和 VPROG = 1V）
Rprog = （1/1）*1200
Rprog =  1.2k

圖3：顯示可編程電阻以設置充電電流的電路圖

現在，電池可以連接到CL4056充電IC。為了連接電池，提供了BAT（引腳5）或電池連接引腳。電池的正極連接到此引腳。此BAT引腳為電池提供穩定的4.2V和充電電流。在本實驗中，電容器與BAT引腳并聯連接，BAT引腳連接到地面以繞過不需要的電壓尖峰和噪聲（如下圖所示） -

圖4：顯示電池與CL4056充電IC連接的電路圖

對于電池充電的視覺指示，可以使用CHRG（引腳7）或電池引腳的充電狀態。當電池充電時，該引腳變低，否則將保持高阻抗狀態。為了直觀地指示電池充電，紅色LED與該引腳串聯的電阻（R2）連接，該引腳將在電池充電時亮起，否則它將保持關閉狀態。電阻限制了來自LED的電流。
 
為了直觀地指示電池完全充電，可以使用STDBY（引腳6）或充電終止狀態引腳。當電池充滿電時，該引腳變為低電平，否則將保持高阻抗狀態。
 
在本實驗中，為了進行視覺指示，綠色LED與該引腳上串聯的電阻（R1）連接。當電池充滿電時，此 LED 將亮起，否則將保持關閉狀態。電阻限制了來自LED的電流。

圖5：顯示充電和充電完成的電路圖，指示LED連接到CL4056

因此，該充電IC需要較少數量的外部元件。電池充滿電時具有自動切斷功能。它具有內部過壓和熱保護。該充電IC提供自動充電和完全充電，充電指示燈可與電池連接。
 
重要的是，在輸入電源處應使用電容器，并與電池一起使用以濾除信號。這將減少不需要的電壓尖峰，從而保護電池和IC免受損壞。電阻（電路圖中的R3）應與輸入電源處的大電容值串聯，以保持低紋波電壓。電池應按照IC上指示的極性連接，因為IC沒有任何反極性保護電路。
 
在充電過程中，不應通過連接負載來放電電池。同時充電和放電會縮短電池壽命，并可能損害CL4056充電IC。輸入電源必須提供給IC工作范圍內的IC。此外，連接極性應正確。將電池連接到CL4056充電IC時，如果紅色和綠色LED都亮起，則必須檢查電池的電路連接。
電路的工作原理 –
在電池充電過程中，CL4056充電IC有三種基本模式。根據IC中的嵌入式特性，還有其他模式。這些模式可以從數據表的下圖中觀察到 -

 

圖6：顯示CL4056 IC充電模式的圖表（來源 –CL4056數據表）

1涓流模式-

當電池電壓低于2.8V時，IC將進入涓流充電模式，使電池電壓處于安全模式。在這種模式下，充電電流（電池充電的電流值）降至滿量程電流的13%（典型值為130mA）。當電池電壓達到涓流電壓（Vtrickle（2.9V）+ Delta Vtrickle（0.08V））以上時，IC進入恒流模式。在本實驗中，充電電流為1A（由引腳2處的可編程電阻設置）。在涓流模式下，充電電流將下降，可以按如下方式計算
 
Itrickle = Icharge（充電電流）的13%
在我們的例子中，充電電流，Icharge = 1A
Itrickle = （13*1）/100
Itrickle = 130mA

2恒流模式-

流出PROG引腳的電流將是恒定的。該電流用于為電池充電，稱為充電電流。在本實驗中，該充電電流為1A（Icharge）（由引腳2處的可編程電阻器設置），電池將通過1A的恒定電流充電，直到電池的終端電壓達到其最大額定電壓（4.2V）。

3恒壓模式-

現在，當電池電壓達到 4.2 V的峰值時，電池電壓將嘗試超過4.2V。然后，IC將不允許更多的電流流過電池。在這種模式下，通過在電池上保持4.2 V的恒定電壓，電流將慢慢開始下降（如上圖所示）。

4待機模式-

在達到電池的最大電壓（4.2V）后，當充電電流降至編程電流/充電電流的1/10Th時，IC會自動停止充電。在這個實驗中，這個電流值可以計算如下
I =1/10* （充電 ）充電電流
I = 1/10*（1）  （因為 Icharge = 1A）
I  = 0.1A
 
在此模式下，根據數據表，IC將消耗最大100uA電流。

5關機模式-

如果未連接RPROG引腳并且輸入電壓小于電池電壓，則IC將處于關斷模式。
測試 –

圖7：CL4056模塊和電池的圖像

提供給 IC 的輸入電源為 5V DC，因此，Vin = 5V
CL4056提供的最大電流，Imax = 1A
 
電池 I 充電的充電電流為 1A（由 IC 引腳 2 處連接的可編程電阻器設置）。具有3000 mAH容量的3.7 V鋰離子電池正在由電路充電。在將電池連接到CL4056之前，測量的初始電池電壓Vbat為3.98V。當電池連接到CL4056時，電池Ibat消耗的電流為90mA。電池充滿電所需的時間約為5小時。應該注意的是，該充電器專為鋰離子3.7 V電池而設計。

電路圖

電路圖-CL4056-3.7V鋰離子電池充電器   

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