鋰電池恒流充電電路設(shè)計(jì)*

李顯圣　吳國廣　覃貴盛

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鋰電池恒流充電電路設(shè)計(jì)*

李顯圣1吳國廣1覃貴盛2

（1.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧，530226 ；2.廣西明陽農(nóng)墾生化科技有限公司，廣西 南寧，530226）

該文講述了一種鋰電池恒流充電電路的設(shè)計(jì)方法。該電路主要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：1.充電電流分50mA、100mA、200mA、500mA四檔可調(diào)。2.電池過充保護(hù)。當(dāng)電池組電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)（如5.4V），充電自動(dòng)結(jié)束。3.狀態(tài)指示。充電進(jìn)行時(shí)，用綠光發(fā)光管指示，充電結(jié)束時(shí)，用紅光發(fā)光管指示。4.純硬件電路完成。為了實(shí)現(xiàn)這電路的功能，設(shè)計(jì)時(shí)用到了三端集成穩(wěn)壓塊、運(yùn)算放大器、恒流源電路等。經(jīng)制作表明，所設(shè)計(jì)電路的功能完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

三端集成穩(wěn)壓；運(yùn)放；恒流源

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，數(shù)碼行業(yè)如雨后春筍般迅猛發(fā)展，市場上出現(xiàn)了越來越多的高科技數(shù)碼產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的正常工作都建立在電池有足夠供電能力的基礎(chǔ)上，尤其是鋰電池成為了目前大容量電池的主要品種，已在通訊、交通、電力等部門得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)它也是其它智能儀表中最為常用的備用電池。適合的充電器，成為鋰電池能夠真正充電和延長使用壽命的關(guān)鍵因素。針對一般恒壓充電器易損壞鋰電池的不足，設(shè)計(jì)了一種純硬件電路控制的恒流充電電路。

1 電路總體設(shè)計(jì)思路

鋰電池自動(dòng)恒流充電電路的總體框圖如圖1所示。它是由220V工頻交流電、變壓器及整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、電流轉(zhuǎn)換電路、恒流源產(chǎn)生電路、電壓監(jiān)測電路、防過充保護(hù)電路和指示電路構(gòu)成。

圖1電路總體設(shè)計(jì)框圖

變壓器、整流濾波電路將公共電網(wǎng)中的220V交流電轉(zhuǎn)換為合適的低壓直流電，經(jīng)穩(wěn)壓電路提供穩(wěn)定的工作電壓。恒流產(chǎn)生電路的功能是利用運(yùn)算放大器結(jié)合晶體管組成恒流源，產(chǎn)生恒定的充電電流；電流轉(zhuǎn)換電路是利用串聯(lián)電阻分壓，通過改變恒流源的基準(zhǔn)電壓來實(shí)現(xiàn)不同電流檔的轉(zhuǎn)換；電壓監(jiān)測電路是應(yīng)用運(yùn)算放大器組成的減法器將電池兩端的電壓變化輸出，例如當(dāng)電池兩端的電壓為5.4V(即檢測出電池兩端的電壓差為5.4V)時(shí)，將5.4V電壓輸出給下一級電路；防過充保護(hù)電路是利用電壓比較器，將監(jiān)測電路輸出電壓與設(shè)定電壓相比較，當(dāng)輸出電壓大于設(shè)定電壓時(shí)，切斷充電回路；指示電路是利用三極管的開關(guān)作用控制LED的亮滅，將電池的充電和充滿狀態(tài)顯示出來。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1恒流產(chǎn)生電路

圖2 使用OP放大器與晶體管的恒流電路

由于運(yùn)算放大器的“+”端所加的基準(zhǔn)電壓Vref與電阻R'兩端的電壓相等，Vref=UR'，所以IE由下式?jīng)Q定：

IE=Vref/R'

由此可以得出，只要Vref和R'的值固定，即可得到恒流源。圖2的電路中使用了達(dá)林頓組合管的形式，具有精度高、能輸出較大電流的作用。

在本設(shè)計(jì)中，電池即作為恒流源的負(fù)載，即電池充電的電流為IC=IE－IB≈IE。

2.2電流轉(zhuǎn)換電路

為了實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)要求，即充電電流分50mA、100mA、200mA、500mA四檔可調(diào)，可通過改變基準(zhǔn)電壓Vref或改變R'兩種方法實(shí)現(xiàn)。

2.2.1改變基準(zhǔn)電壓Vref法

假設(shè)R' = 10Ω,因?yàn)閂ref = UR'，所以Vref = R'×IE = 10×IE；又因?yàn)镮E1 = 50mA, IE2 = 100mA，IE3 = 200mA, IE4 = 500mA，所以Vref=0.5V、1V、2V、5V。利用電阻串聯(lián)分壓可以實(shí)現(xiàn)0.5V、1V、2V、5V電壓的可調(diào)。本電路電壓取10V，根據(jù)所需電壓值計(jì)算出各檔位所需的電阻值，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 檔位選擇電路

在設(shè)計(jì)時(shí)要注意晶體管及R'的功率，P=U×I,Pmax=5V×0.5A=2.5W。選擇元件要選功率比電路的最大功率2.5W要大，以免元件發(fā)熱過大而損壞。

2.2.2改變R'法

假設(shè)Vref=5V，根據(jù)IE=50mA、100mA、200mA、500mA，可得R'=100Ω、50Ω、25Ω、10Ω。這種方法同樣可以實(shí)現(xiàn)電流的換擋，在本設(shè)計(jì)中采用的是改變基準(zhǔn)電壓Vref的方法。

2.3電壓監(jiān)測電路

圖4電壓檢測電路

如圖4所示電路，利用運(yùn)放構(gòu)成減法器電路，將電池正極的電壓減去電池負(fù)極的電壓，將差值放大后輸出給后級電路。利用該電路，電池電壓的變化即時(shí)送給下級電路，以便做出相應(yīng)的判斷，從而完成電池電壓監(jiān)測的目的。

放大倍數(shù)計(jì)算：若R1=R2，R3=R4

2.4防過充保護(hù)電路

圖5防過充保護(hù)電路

如圖5所示，電壓監(jiān)測電路輸出電壓Vout被送至電壓比較器的同相輸入端，反相輸入端通過可調(diào)電阻RV調(diào)節(jié)輸入電壓，當(dāng)Vout > Vb，比較器輸出高電平，反之輸出低電平。利用比較器的這個(gè)特點(diǎn)，將電池電壓的變化與設(shè)定的電壓進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的電壓（如5.4V）時(shí)，比較器輸出高電平，這時(shí)三極管Q1飽和導(dǎo)通，繼電器RL1線圈獲得足夠大電流而動(dòng)作，此時(shí)Vref=0V, 即恒流源的基準(zhǔn)電壓為0V，恒流源的輸出電流為0A，即此時(shí)電池停止充電，完成電池過充保護(hù)。而當(dāng)電池電壓小于設(shè)定值（5.4V）時(shí)，比較器輸出低電平，三極管Q1截止，繼電器不動(dòng)作，恒流源基準(zhǔn)電壓Vref=Vref0，即0.5V、1V、2V、5V，對應(yīng)輸出電流50mA、100mA、200mA、500mA。

2.5狀態(tài)指示電路

圖6 指示電路

如圖6所示，當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，V1，V2為高電平，Q4導(dǎo)通，D1點(diǎn)亮，此時(shí)充電停止；當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)，V1，V2為低電平，Q3導(dǎo)通，D2點(diǎn)亮，此時(shí)電池充電。

3 結(jié)束語

本電路的輸出電流精度受基準(zhǔn)電壓、采樣電壓影響較大，在實(shí)際制作時(shí)應(yīng)選擇精度較高的元件。該設(shè)計(jì)電路簡單，成本低廉，操作方便，響應(yīng)速度快，充電電流四檔可選，輸出電流精度高，有防過充功能，可以有效保護(hù)鋰電池，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

[1]王傘.常用電路模塊分析與設(shè)計(jì)指導(dǎo)(第2版) [M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[2]岡村迪夫，OP放大電路設(shè)計(jì)[M].王玲，譯.北京：科學(xué)出版社，2013.

[3]青木英彥. 模擬電路設(shè)計(jì)與制作[M].周南生，譯. 北京：科學(xué)出版社，2005.

[4]（日）稻葉保. 模擬技術(shù)應(yīng)用技巧101例[M]. 胡圣堯，譯. 北京：科學(xué)出版社，2006.

A Design of Charging Circuit of Lithium Batteries with Constant Current

LI Xian-sheng1WU Guo-guang1QIN Gui-sheng2

(1.Guangxi Vocational and Technical College, Nanning, Guangxi 530226;2. Guangxi State Farms Mingyang Biochemical Group, INC, Nanning, Guangxi 530226)

Regarding the disadvantage that constant-voltage charging easily damages Lithium Batteries, this paper introduces a design of Charging Circuit of Lithium Batteries with Constant Current. The designed circuits makes it possible to realize the constant current charging with high degree of accuracy, and the charging flows can be selected with the protective function to prevent over-charging. It has been proved that the designed circuits can protect lithium batteries effectively.

lithium batteries; constant-current source

TM912

A

1674-3083（2016）04-0006-03

2016-07-18

2015年院立一般課題（自然科學(xué)B類），課題名稱：基于GPS/GSM的通信基站防盜系統(tǒng)之研究（課題編號：151207）。

李顯圣（1981-），男，廣西南寧人，碩士，講師。研究方向：智能電子技術(shù)，汽車電子技術(shù)。