使用CL4056制作3.7V锂离子电池充电IC

电池充电IC是一种电路，通过向电池补充电荷载体（电子）来为电池充电。电池的充电取决于电池的类型。有许多类型的电池使用不同的电解质材料。无论哪种类型，电池都有一个常见的过充电和过放电问题。不同的电池对过度充电有不同的容忍限值。有些电池非常敏感，以至于在一定限度的充电后可能会爆炸。
 
为了避免过度充电和随之而来的电池损坏，需要设计一种智能充电电路。该电路将负责为电池充电，当达到过充电电压时，应切断充电过程。在本项目中，设计了锂离子电池的智能充电器。考虑充电的电池采用3.7 V规格。通过修改相同的电路，可以轻松设计具有不同电源电压规格的锂离子电池的电池充电器。
 
对于锂离子电池的充电，可以使用不同的方法。这些方法实际上是 电池充电的模式。基本上，有三种电池充电模式 -
 

1. 涓流模式
2. 恒流模式
3. 恒压模式

 
本实验设计了输出功率为4.2V/1A的3.7V锂离子电池电池充电IC。为了设计可以实时监控充电过程的智能电路，使用了集成电路CL4056。
 
该充电IC为 3.7V锂离子电池提供足够的充电电流和电压。当电池充满电时，充电IC可以自动切断充电电流。因此，它降低了电池永久损坏的风险。

所需组件

图1：3.7V锂离子电池充电器所需的组件列表

电路连接

在该电子项目中，使用3.7V锂离子电池来存储充电，当其终端电压达到4.2V时，该电池充满电。当任何电池充电时，其端子上的电压输出会不断增加。每个电池都有一个峰值终端电压值，电池已充满电。因此，电池的充电百分比也是通过测量终端电压来估计的。锂离子电池需要小心处理，因为电池可能会因过度充电而着火。因此，为了对锂离子电池进行充电，使用特殊的IC（如CL4056充电IC），当电池充满电时，它们会自动断开电池与输入电源的连接。
 
CL4056是一款专门设计的充电IC，用于为3.7V锂离子电池充电。这是一款具有恒定电流和恒定电压的线性电池充电器控制器。通过增加单个可编程电阻器，该充电IC可用于为3.7V锂离子电池充电。充电电压固定在4.2V，充电电流可以根据要充电的电池添加一些电阻器和电容器来设置。该充电IC可提供1A的最大充电电流。
 
该 IC 还提供内部热保护、电流限制和负充电电流。当电池充满电时，CL4056充电器会降低电流。因此，当电池处于高电位时，电流可能会从电池流向CL4056 IC。因此，由于内部PMOS会阻挡负电荷电流，因此无需添加额外的阻断二极管。当电池充满电时，充电IC会切断充电电流，从而避免电池损坏。
 
CL4056充电IC采用SOP封装，非常适合在便携式设备中使用。它还需要较少的外部元件，只需很少的电阻器和电容器。该充电IC需要最低4V至8V电压才能工作。该充电IC具有8个引脚，具有以下引脚配置 –

CL4056充电IC具有自动充电功能。当电池电压降至约4.05V时，IC将再次开始其充电周期。这将再次重新启动电池的充电。它具有温度感。其引脚1或TEMP引脚连接到NTC（负温度系数）热敏电阻输出，该输出内置于电池组中。如果引脚电压低于电源电压的45%或高于80%超过0.15s，这意味着电池温度非常高或非常低，则它会停止电池充电。将此引脚接地可禁用温度检测引脚的功能。在本实验中，该引脚将接地，这将禁用温度检测引脚的功能。
 
对于3.7V锂离子电池的充电，也可以使用市场上现成的CL4056模块。该模块提供所有嵌入CL4056充电IC的组件，专为为单个3.7V锂离子电池充电而设计。为了全面了解充电器电路，该项目从头开始设计。
 
CL4056充电IC具有以下引脚图 –

图2：CL4056IC的引脚图

首先，需要为IC提供输入电源，然后为充电电池供电。充电IC上的以下引脚设计用于与外部电源连接 ：
 
Gnd（引脚 3） – 为充电IC提供接地，需要连接到电池的负极。
Vcc（引脚 4） – 这是输入电源引脚。
 
因此，为IC提供输入电源。当电源电压降至BAT引脚电压的30mV以内时。然后CL4056进入休眠模式，并将提供给BAT引脚的电流降至2uA以下。BAT引脚是要连接电池的正极的位置。IC输入电压必须为4V至8V，才能正常工作。
 
在本实验中，为IC提供5V电源。电容器也从Vcc连接到地，以旁路不需要的电压尖峰和噪声。然而，大值的电容器需要与0.2欧姆至0.5欧姆的串联电阻（在电路图中显示为电阻R3）去耦，从而降低纹波电压。
 
其次，需要启用CL4056充电IC。对于此 CE（引脚 8） – 提供芯片使能。此引脚上的高输入使能CL4056充电IC，将此引脚拉低以禁用该充电IC。因此，该引脚已直接连接到电源电压以使能IC。
 
现在，必须根据所使用的电池设置充电电流。为此，提供了 Prog（引脚 2）。该引脚通过使用从引脚连接到地的可编程电阻器（RPROG）来决定电池充电电流。该引脚为连接在该引脚和地之间的外部电阻器提供一个 1V （VPROG） 的恒定基准电压。
 
恒定电流模式下的电压在此引脚上被调节在2V，在预充电模式下，电压被调节为0.2V。在恒流模式下，充电电流是流经该电阻的电流的1200倍。在两种模式（恒流和预充电模式）中，电压用于通过以下公式测量该引脚上的电流：
 
PROG 引脚上的电流，Iprog = （ VPROG/RPROG ）
 
电池的充电电流可以计算如下：
 
Icharge = Iprog *1200
 
在这个实验中，将设置1A的充电电流（Icharge）来为电池充电。对于1A电流，电阻Rprog与此引脚连接到地（如电路图所示）。电阻Rprog的值可以计算如下：
 
Icharge = Iprog *1200  （如上文所述）
Icharge = （Vprog/ RPROG）*1200  （来自上面的Iprog方程）
RPROG = （Vprog/ Ibat）* 1200  （Icharge =1A 和 VPROG = 1V）
Rprog = （1/1）*1200
Rprog =  1.2k

图3：显示可编程电阻以设置充电电流的电路图

现在，电池可以连接到CL4056充电IC。为了连接电池，提供了BAT（引脚5）或电池连接引脚。电池的正极连接到此引脚。此BAT引脚为电池提供稳定的4.2V和充电电流。在本实验中，电容器与BAT引脚并联连接，BAT引脚连接到地面以绕过不需要的电压尖峰和噪声（如下图所示） -

图4：显示电池与CL4056充电IC连接的电路图

对于电池充电的视觉指示，可以使用CHRG（引脚7）或电池引脚的充电状态。当电池充电时，该引脚变低，否则将保持高阻抗状态。为了直观地指示电池充电，红色LED与该引脚串联的电阻（R2）连接，该引脚将在电池充电时亮起，否则它将保持关闭状态。电阻限制了来自LED的电流。
 
为了直观地指示电池完全充电，可以使用STDBY（引脚6）或充电终止状态引脚。当电池充满电时，该引脚变为低电平，否则将保持高阻抗状态。
 
在本实验中，为了进行视觉指示，绿色LED与该引脚上串联的电阻（R1）连接。当电池充满电时，此 LED 将亮起，否则将保持关闭状态。电阻限制了来自LED的电流。

图5：显示充电和充电完成的电路图，指示LED连接到CL4056

因此，该充电IC需要较少数量的外部元件。电池充满电时具有自动切断功能。它具有内部过压和热保护。该充电IC提供自动充电和完全充电，充电指示灯可与电池连接。
 
重要的是，在输入电源处应使用电容器，并与电池一起使用以滤除信号。这将减少不需要的电压尖峰，从而保护电池和IC免受损坏。电阻（电路图中的R3）应与输入电源处的大电容值串联，以保持低纹波电压。电池应按照IC上指示的极性连接，因为IC没有任何反极性保护电路。
 
在充电过程中，不应通过连接负载来放电电池。同时充电和放电会缩短电池寿命，并可能损害CL4056充电IC。输入电源必须提供给IC工作范围内的IC。此外，连接极性应正确。将电池连接到CL4056充电IC时，如果红色和绿色LED都亮起，则必须检查电池的电路连接。
电路的工作原理 –
在电池充电过程中，CL4056充电IC有三种基本模式。根据IC中的嵌入式特性，还有其他模式。这些模式可以从数据表的下图中观察到 -

 

图6：显示CL4056 IC充电模式的图表（来源 –CL4056数据表）

1涓流模式-

当电池电压低于2.8V时，IC将进入涓流充电模式，使电池电压处于安全模式。在这种模式下，充电电流（电池充电的电流值）降至满量程电流的13%（典型值为130mA）。当电池电压达到涓流电压（Vtrickle（2.9V）+ Delta Vtrickle（0.08V））以上时，IC进入恒流模式。在本实验中，充电电流为1A（由引脚2处的可编程电阻设置）。在涓流模式下，充电电流将下降，可以按如下方式计算
 
Itrickle = Icharge（充电电流）的13%
在我们的例子中，充电电流，Icharge = 1A
Itrickle = （13*1）/100
Itrickle = 130mA

2恒流模式-

流出PROG引脚的电流将是恒定的。该电流用于为电池充电，称为充电电流。在本实验中，该充电电流为1A（Icharge）（由引脚2处的可编程电阻器设置），电池将通过1A的恒定电流充电，直到电池的终端电压达到其最大额定电压（4.2V）。

3恒压模式-

现在，当电池电压达到 4.2 V的峰值时，电池电压将尝试超过4.2V。然后，IC将不允许更多的电流流过电池。在这种模式下，通过在电池上保持4.2 V的恒定电压，电流将慢慢开始下降（如上图所示）。

4待机模式-

在达到电池的最大电压（4.2V）后，当充电电流降至编程电流/充电电流的1/10Th时，IC会自动停止充电。在这个实验中，这个电流值可以计算如下
I =1/10* （充电 ）充电电流
I = 1/10*（1）  （因为 Icharge = 1A）
I  = 0.1A
 
在此模式下，根据数据表，IC将消耗最大100uA电流。

5关机模式-

如果未连接RPROG引脚并且输入电压小于电池电压，则IC将处于关断模式。
测试 –

图7：CL4056模块和电池的图像

提供给 IC 的输入电源为 5V DC，因此，Vin = 5V
CL4056提供的最大电流，Imax = 1A
 
电池 I 充电的充电电流为 1A（由 IC 引脚 2 处连接的可编程电阻器设置）。具有3000 mAH容量的3.7 V锂离子电池正在由电路充电。在将电池连接到CL4056之前，测量的初始电池电压Vbat为3.98V。当电池连接到CL4056时，电池Ibat消耗的电流为90mA。电池充满电所需的时间约为5小时。应该注意的是，该充电器专为锂离子3.7 V电池而设计。

电路图

电路图-CL4056-3.7V锂离子电池充电器   

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