锂电池特性
首先,问一个简单的问题,为什么很多电池都是锂电池?
工程师对锂电池并不陌生。在电子产品项目开发过程中,特别是在电池供电类别项目中,工程师将处理锂电池。
这是由锂电池的电路特性决定的。
众所周知,锂原子在化学元素周期表中排名第三,包括三个质子和三个电子,其中三个在锂原子核中的分布对其化学和物理特性起着决定性的作用。
元素周期表
锂原子核外层的三个电子中,只有一个是自由电子,另外两个不是自由电子,即不参与锂原子的电子性能。
为什么锂被用作电池材料?
这是因为虽然锂原子最外层只有一个电子,但其相对原子质量只有7个。换句话说,锂原子在相同的质量密度下带来的电能最多。
以铝为例,可以直观地得出结论。
铝在元素周期表中排名第13位,最外层自由移动的电子数为3,相对原子质量为27。
也就是说,如果电池是为27的铝元素制造电池,其电能为3;
如果用相同质量的27锂元素制造电池,它的电能是27*(1/7)约3.86。
显然,在电能方面,锂元素3.86是要超过铝元素的3。这就是为什么锂电池如此受欢迎的原因理论解释。
锂电池充电电路
在了解完锂电池的基本电路特性后,工程师在开发带有锂电池供电的项目时,就会面临锂电池的充电电路问题。
锂电池的电压为3.0V ~ 4.2V锂电池的最大电压是4.2V,最小电压为3.0V。锂电池的最大电压和最小电压是什么?
单节锂电池
最大电压是4.2V,锂电池两端的极限电压不超过4.2V;最小电压为3.0V,锂电池两端的极限放电电压不小于3.0V;
换句话说,它的另一层电路意味着
锂电池在接收外部充电电路时充电,其最终充电电压不得高于4.2V;锂电池为外部负载提供工作电源,最终消耗的电压将保持在3.0V;
基于此,如果工程师将使用常用的5V/1A或者5V/2A规格充电器,锂电池直接充电,可以吗?
充电器
显然是不行的。为什么呢?
因为无论是5V/1A或者5V/2A对外输出的充电电压为5V,超过锂电池最大承受电压4.2V。
如何解决这两个电压不匹配和兼容的问题?不改变充电器5V/1A和5V/2A工程师在规格条件下应如何实现?
常用的电路解决方案是TP4054充电管理芯片
TP4054充电管理芯片是适用于单节锂电池的充电管理芯片,属于恒压恒流线性充电类型,充电电压固定在4.2V,最大充电电流支持8000mA,而且自己的待机只消耗2电流uA。
TP4054应用电路图
在TP在4054充电管理芯片应用电路图中,工程师可以清楚地观察到,整个电路的设计方案非常简单,外围电路只有几个电阻电容和LED灯,省去了外部MOS管道也节省了设计BOM表成本。
Pin 1引脚CHRG:TP4054芯片的充电状态指示功能。在充电过程中,连接LED为亮;充电时,连接LED为灭;
Pin 2引脚GND:TP属于电路公共端的4054芯片参考地;
Pin 3引脚BAT:TP4054芯片的充电输出端直接连接到单节锂电池的正极。
Pin 4引脚VCC:TP4054芯片的电源输入端也是单节锂电池的充电输入接口,电压工作范围为4.5V~6.5V,正好满足5V/1A和5V/2A充电器输出电压规格;
Pin 5引脚PROG:TP4054芯片的充电电流设置功能,选择不同的阻值R1.可以设置不同的充电电流I
具体对应关系为
(1)充电电流I 设定不大于0.15A时,R1 = 1000 / I;
(2)充电电流I 设定大于0.15A时, R1 = 1000 / I * (1.2 - 4 * I /3);
例如,当充电电流设置为0时.1A,R选择1电阻的电阻值 10K;充电电流设置为0.5A,R选择1电阻的电阻值 1K;
到目前为止,你觉得吗?TP4054芯片的电路解决方案完美地解决了单个锂电池的充电问题。它不仅完成了锂电池的充电功能,而且具有充电状态指示灯的功能,还设置了充电电流的大小。
No,No,No...
在实际开发电路项目的过程中,芯片兄弟发现TP4054芯片在锂电池充满时不具备自动断电功能;没有自动断电功能的后果是锂电池在未切断充电器电源时一直被切断TP4054芯片正在充电。
这也是TP4054芯片的一个小缺点。
TP4054芯片充电的原因LED使用指示功能LED亮灭变换提醒用户手动切断电源,否则会一直充电哦,
锂电池保护电路
说完锂电池的充电电路,我们来谈谈它的放电电路。充电是从外部吸收电能,放电是为外部(负载)提供电能,这是电池的使命。
没办法,使命难为啊,嗯嗯嗯~~~从这个意义上说,奶牛比电池好得多,毕竟,奶牛吃草,挤出牛奶;电池吃电,挤出或电,只是自然搬运工,哈哈~
幽默,言归正传
锂电池的放电过程实际上等同于电容器的放电过程。电容器的两端连接电阻负载,形成一个简单的工作电路。如果外部世界不干涉,电容器存储的电量将被消耗,直到电量为零。
显然,这种放电过程对锂电池来说是完全不可接受的。锂电池放电为零,相当于锂电池两端的电压为零, 电池电量Q = 电池电容C * 电池电压U;
锂电池的电压范围为3.0V ~ 4.2V,不能为零。如果锂电池电压因负载消耗而变为零,则锂电池寿命将呈指数级衰减。
这就是锂电池保护电路引入的原因。
尽管如此,在实际的项目开发中应该如何具体操作?可以解决哪些方案?
DW01芯片与8205 MOS管道的电路设计方案可以更好地胜任
DW01芯片与8205 MOS管应用电路
在DW01芯片与8205 MOS在管道应用电路图中,BATT 锂电池放电的正极,BATT-锂电池放电负极。
Pin 1引脚 OD:DW01芯片的放电电路控制引脚,即控制M1 MOS管道的导通与关闭;
Pin 2引脚 CS:DW01芯片放电(充电)电流控制引脚,通过设置引脚,可选择放电(充电)的最大电流值;
Pin 3引脚 OC:DW01芯片的充电电路控制引脚,即控制M2 MOS管道的导通与关闭;
Pin 4引脚 TD:DW01芯片时间延长设置引脚,设置芯片反应时间;
Pin 5引脚 VCC:DW01芯片的工作电源输入引脚通常通过电阻连接;
Pin 6引脚 GND:DW作为公共场所,01芯片的参考引脚;
其中,8205是N沟的双沟MOS管道对应于电路图中的两个MOS管。
锂电池对外放电的过程中,DW01芯片OD引脚控制M1 MOS管导通,OC引脚控制M2 MOS当锂电池、M1 MOS管和 M2 MOS管内下的二极管形成放电回路;
必须提到两个重要参数,一的放电电流是锂电池保护电路的核心。
芯片哥浏览DW01芯片的数据手册,得知
DW01芯片参数
放电保护电压3.0V±0.1.放电电流检测电压150mV±30;
DW01芯片放电保护电压3.0V,单节锂电池最低放电电压3.0V吻合似乎是天造地设的一对~~~
你现在明白为什么了吗?DW01芯片可以保护锂电池放电。
还有一个保护参数放电电流。工程师如何设置这个参数?根据实际项目需要设置锂电池放电电流的关键在于理解DW01芯片应用电路的本质。
DW01芯片内部电路图
DW01芯片Pin 2引脚CS,内部电路连接一个比较器,所以当锂电池放电时,引脚CS如果检测到两端的电压超过150mV,然后关闭8205 MOS锂电池对外放电电路的管道关闭也起到过流保护作用。
剩下的问题是引脚CS两端的电压150mV与锂电池放电的电流量化有关
还是回到DW01芯片与8205 MOS锂电池在管道应用电路图中,M1 MOS管和 M2 MOS管内下的二极管形成完整的放电电路。
p>为了把问题写得更清楚,芯片哥也是拼了,不知不觉码了很多字,敲键盘手都有些酸了,不过能看到这里的都是真爱,哈哈~~~由于M1 MOS管的一端是连接锂电池的负极GND,另外一端是连接DW01芯片的引脚CS,而DW01芯片的引脚CS检测保护电压是150mV,等同于M1 MOS管的两端保护电压是150mV;
再接着浏览8205 MOS管的数据手册,查看它的内部导通电阻是小于37mΩ
8205 MOS管参数
DW01芯片的放电保护电流就等于什么?等于引脚CS检测保护电压150mV 除以 8205 MOS管的导通内阻 (小于37mΩ),也就是大约为5A。
至此DW01芯片的放电电压保护以及电流保护原理已经介绍好了
锂电池的总结
讲述完锂电池的充电电路原理,工程师可以选用TP4054芯片开发设计出锂电池的充电方案;
讲述完锂电池的保护电路原理,工程师可以选用DW01芯片与8205 MOS管开发设计出锂电池的保护电路方案;
充电方案与保护方案,二者不是独立的,是互相依赖,共同才能组成一个完整的锂电池充放电管理设计方案。将TP4054应用电路图中的Pin 3引脚BAT电池正极与电池负极,连接到DW01芯片与8205 MOS管应用电路中的BATT+与BATT-,这样就构成了一个功能完好的锂电池充放电管理电路设计方案。