磷酸铁锂离子电池充电器的原理应用

磷酸铁锂离子电池是一种用磷酸铁锂（LiFepO4）材料作电池正极、用石墨作电池负极的新型锂离子电池。有关该电池的详细介绍请参看本刊9期磷酸铁锂动力锂电池一文。

磷酸铁锂离子电池的标称电压是3.2V、终止充电电压是3.60.05V、终止放电电压是2.0V。该电池与锂离子电池相同要求恒流、恒压充电，充电率范围是0.2～1C。

上海如韵电子有限公司在自主开发出单节锂电子充电器芯片CN3052及CN3056后，2007年又开发出性能更好的单节磷酸铁锂充电器芯片CN3058及CN3059，满足了市场的需求。本文将介绍CN3059。

特点与应用

CN3059是一种对单节磷酸铁锂离子电池进行恒流、恒压充电的充电器IC。用该IC组成的充电器重要特点：充电电流可由一外设电阻RISET设定，最大充电电流可达1A；输入电压4～6V，可采用USB接口或4.5～6V输出电压（输出电流1000～1500mA）的AC/DC适配器供电；充电器电路简单、外围元器件少、成本低；对过放电（电池电压＜2.0V）的电池有小电流预充电模式；内部有功率器理电路，若芯片的结温超过115℃时能自动降低充电电流作过热保护，使用户可设置较大的充电电流，以提高充电效率；有两个LED分别作充电状态指示及充电结束指示；有输入电压过低（＜3.61V）时的输出锁存功能、自动再充电功能、电池温度监测功能；采用小尺寸、散热增强性的10引脚DFN封装；充电温度范围0～45℃或0～65℃(由充电电池参数决定)。

CN3059是磷酸铁锂离子电池的专用充电器IC，但它还有一个独特的特点：外设一个电阻RVSET，它可以新增恒压充电的输出电压。利用这个独特的特点，可以组成简易的3节镍氢电池充电器及4V铅酸电池充电器或锂离子电池充电器。

由CN3059组成的充电器适合充0.5～4Ah的磷酸铁锂离子电池。其应用领域：矿灯、LED应急灯、警示灯；车模、船模、航模及电动玩具；在照相机中，用3.2V磷酸铁锂离子电池替代一次性3V锂离子电池（型号为CR123A），其外廓尺寸相同；通信装置；小型医疗仪器及野外测试仪器；小型电动工具等。另外，可采用CN3059组成充3节镍氢电池及4V铅酸电池的充电器等。

封装、引脚排列及功能

CN3059采用散热增强型10引脚小尺寸DFN封装，其引脚排列如图1所示，各引脚功能如表1所示。

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图1CN3059引脚图

重要参数

CN3059的极限参数：各引脚的电压范围为-0.3～6.5V；BAT引脚与GND短路时间可持续；静电击穿电压为2kV；最高结温为150℃；焊接温度为300℃（10s）。

CN3059的电气参数：电源输入电压范围为4～6V；静态电流典型值为650μA；低压锁存电压为VIN≤3.61V；预存电阈值电压是电池电压小于2.05V；恒压充电电压3.6V；充电结束阈值电压（ISET端电压）为0.22V；睡眠模式阈值电压为VIN－VBAT≤20mV；睡眠模式解除阈值电压为VIN－VBAT≥50mV；TEMp端高温阈值电压为80%VIN，低温阈值电压为48%VIN。

典型应用电路

采用CN3059组成磷酸铁锂离子电池充电器电路与由CN3056组成的锂离子充电器电路相比，前者有两个突出的优点：①精确检测充电电池的电压，充电电池的终止充电电压控制得更精确，使电池充的更满；②采用在FB端与电池正极之间加接一个电阻RVSET，使充电器除能充磷酸铁锂离子电池外，也可简单地组成充铅酸电池及镍氢电池，扩展了充电器功能。下面分别介绍这2种典型应用电路。

1充磷酸铁锂离子电池电路

充电电池型号为26650，容量为2800mAH，采用1000mA恒流电充电（其充电率约0.36C），充电器电路如图2所示。

图2磷酸铁锂离子电池充电电路

充电器采用输出直流电压5V、输出电流1500mA的AC/DC适配器作电源。用红色LED作充电状态指示灯，用绿色LED作充电结束指示灯。设定恒流充电电流ICH=1000mA，则RISET为：

RISET=1800V/1A=1.8kΩ（1）

CIN(10μF)及COUT(10μF)是为保证充电器工作稳定的输入及输出电容，可采用多层陶瓷电容器（MLCC）。

这里重点介绍精确电池电压检测电路。图3是一般电池电压检测电路，图4是精确电池电压检测电路。图3中，BAT端外接充电电池，内接由R1、R2组成的电阻分压器，其中间点为输入误差放大器，根据充电电池的实际电压来对电池进行预充电、恒流充电及恒压充电。若在恒流充电时的充电电流为ICH、BAT端的电压为VBAT，电池的电压为VBAT。若BAT端到电池正极之间的金属连接线的电阻为△R，则ICH电流从BAT端到电池正极间的电压降VDROp=ICH△R，则VBAT=ICH△R+VBAT(VBAT＜VBAT）。充电电流越大，则VBAT与VBAT的差值越大。输入到误差放大器的电压是VBAT的分压而不是VBAT的分压，因此出现电池实际电压的检测误差。再看图4电路，BAT端向电池充电。另外，由电池正极加一条连接到FB端，将电池电压通过R1、R2分压器后输入误差放大器。

图3一般电池电压检测电路

图4精确电池电压检测电路

粗看起来，FB端、电池正极端及BAT端是同电位的。但要注意的是从BAT端流到电池正极的电流是ICH，若连接线电阻为△R，其压差VDROp=ICH△R；而若从电池正极流入FB的电流是IFB，连接线电阻也为△R，则VBAR－VFB的压差为IFB△R。因为ICH往往是0.xA～1A，而IFB≈3μA，所以VBAT与VBAT的压差较大，而VBAT与VFB之间的压差甚小（VBAT＞VBAT＞VFB），用VFB端反馈到误差放大器的电压与电池的实际电压更接近，即检测电池电压更精确。这一种精确测量方法也称为开尔文检测法（KeLvin）。用这方法精确检测电池电压可使电池的终止充电电压更精确，电池也冲的更满。

2充4V铅酸电池或3节镍氢电池或锂离子电池的电路

在FB端与电池正极之间加一个RVSET电阻，可以调节恒压充电的电压这一特点，则除充磷酸铁锂离子电池外，还可组成简易4V铅酸电池或3节镍氢电池充电器，电路如图5所示。

图5铅酸电池或镍氢电池充电器电路

设定的终止充电电压Vbat与RVSET的关系为：

Vbat（V）=3.6（V）+3.0410-6（A）RVSET（Ω）（2）

由于这种简易充电器设定了终止充电电压，所以在充电过程不会出现过充电的情况，即充电是安全的。但由于不同种类的电池有各自的充电程式及终止充电的检测方法，因此用CN3059组成的简易充电器在充满程度上要差一些。另外，在充3节镍氢电池时，由于充电器没有每节电池均压充电的电路，所充的电池应是同一种型号、同一公司生产、同一组使用的电池，否则会造成由于电池的内阻不同而出现的有的电池未充满，有的电池已过充电的情况。不同充电电池的RVSET值如表2所示。

为保证终止电压的精度，采用的RVSET应为1%精密电阻（E48、E96系列），温度系数10010-6/℃。

图6是一种充3.2V磷酸铁锂离子电池（S1打在下面）及充3.6V锂离子电池（S1打在上面）的充电器电路。另外，它是恒流充电可选500mA（S2打在下面）或1000mA（S2打在上面）的充电电路。

图63.2V磷酸铁锂离子电池及3.6V锂离子电池充电器电路