在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將使用微芯片的 MCP73844 模塊制作一個(gè) 2S 充電器模塊。該充電器能夠承受 2-12 伏特之間的電壓，并以 2S 配置為鋰離子和鋰聚合物電池充電。該項(xiàng)目的目的是開發(fā)一種充電電路，可在任何消費(fèi)級(jí)項(xiàng)目中用作子系統(tǒng)。充電器模塊可以連接標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)適配器或移動(dòng)電源，也可以使用 12 伏充電器供電。我還將告訴您我們?nèi)绾瓮ㄟ^修改單個(gè)組件使用相同的電路為單個(gè)鋰離子或鋰聚合物電池充電。在這個(gè)項(xiàng)目中，我將在內(nèi)部設(shè)計(jì)和制造整個(gè)電路，從電路設(shè)計(jì)、PCB 制造和焊接 SMD 元件的一切都在內(nèi)部完成。我們還將看到如何改變充電速率、散熱、和其他參數(shù)，以使電路適用于不同的用例。我們之前做過不同的適用于不同電池化學(xué)成分或具有不同功能的電池充電器，如果您對此感興趣或想了解有關(guān)電池的更多信息，請單擊鏈接查看文章。

電池充電器電路概述

如上所述，該電路可以承受 2V 到 12V 之間的任何電壓，因此我們主要關(guān)注由所有手機(jī)充電器、移動(dòng)電源甚至計(jì)算機(jī)的 USB 端口提供的 5V 輸入。電路分為2部分。使用 5V 輸入時(shí)，第一步是將電壓從 5V 升壓，以便我們的充電器 IC 可以使用它。我們將這個(gè)電壓提升到 12 伏。然后將升壓后的電壓饋入充電控制器電路，該電路隨后提供受控輸出以對電池充電。

MCP73844 線性充電管理控制器

系統(tǒng)的主要核心是充電器管理控制器 IC。我在這個(gè)項(xiàng)目中使用了Microchip MCP73844。該 IC 屬于 Microchip 的線性管理控制器系列MCP 7384x，該系列專為低成本和空間有限的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。這些高度先進(jìn)的 IC 采用恒壓（CV） 和恒流（CC） 充電技術(shù)，與大多數(shù)低成本產(chǎn)品不同，它們具有電池預(yù)處理、自動(dòng)充電終止、充電指示、安全定時(shí)器，甚至可選的電池溫度監(jiān)控等功能。我們使用的 IC 采用 8 引腳 MSOP 封裝，如果您想要可選的電池溫度功能，您可以選擇MCP73841或MCP73842。MCP73843/MCP73844 模塊的應(yīng)用電路如下所示。

圖 1 鋰離子電池充電器電路

我們 IC 的功能框圖取自數(shù)據(jù)表，如下所示：

在上面的功能框圖中，THREF 和 THERM 2 個(gè)引腳僅在 MCP73841/MCP73842 中可用，用于監(jiān)控電池溫度，這些 IC 采用 10 引腳 MSOP 封裝，不同于 8 引腳 MSOP 封裝。我們用過的IC。除了這 2 個(gè)引腳之外，所有 4 個(gè) IC 的連接和功能都是相似的。IC的引腳說明如下：

元件選擇

充電器是高度可定制的，我們可以通過選擇不同的無源元件來選擇不同的充電速率、效率等。我們設(shè)計(jì)的充電電路是針對 2S 電池配置的最大 2A/小時(shí)充電速率。通過將最大輸出電壓 （Vout_max） 與最大輸出電流 （Iout_max） 積分可以得出最大功率。因此，功率將為 16.8 瓦。我們的 IC 的連接如下所示。

筆記：

電阻值會(huì)改變此時(shí)的熱量產(chǎn)生和功率損耗，可以通過公式 P=R*（I*I） 計(jì)算

功耗= 100 m W ′ 1 A^ 2 = 100 mW

因此，您在決定快速充電率時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。

我們使用的 MOSFET 是 P 溝道MOSFET S19433BDY，您可以用Fairchild? NDS8434 或 IRF7404 替換這個(gè)。

電池管理輸入引腳 （VDD）

VDD 是輸入電源，當(dāng) VDD 電源不存在時(shí)，它還可以防止電池耗盡，它在低于某個(gè)電壓閾值時(shí)進(jìn)入斷電模式，從而提高電池的使用壽命。

我們使用肖特基二極管來防止反向電流流入升壓電路。

散熱考慮

在選擇組件時(shí)，您要么必須限制充電電流，要么必須增加銅焊盤尺寸并包括多個(gè)通孔以有效散熱，從而實(shí)現(xiàn)更好、更持久的操作。在選擇組件時(shí)，您必須進(jìn)行設(shè)計(jì)權(quán)衡。

絕對最大額定值

VDD -- 13.5V

所有輸入和輸出 wrt -- -0.3 至 （VDD+0.3）V

DRV 引腳上的電流 -- ±4 mA

STAT1 引腳電流 -- ±30 mA

最高結(jié)溫，TJ -- 150°C

儲(chǔ)存溫度 -- -65°C 至 +150°C

我們的充電器參數(shù)：

制作1S充電器：

如果您想為 1S 電池或單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池設(shè)計(jì)充電器，可以將 MCP73844 替換為 MCP73841 或 MCP73842。MCP73841 將具有完全相同的電路，而 MCP73842 將僅具有用于溫度測量的附加連接。其余電路將保持不變。

使用MT3608的升壓電路

如上所述，我們IC的工作電壓在8.7 V至12 V之間，因此，為了使該系統(tǒng)兼容5 V輸入，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)升壓電路?？紤]到這款充電器可以用于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，我們使用的IC是MT3608，采用6pin SOT23封裝，具有熱過載保護(hù)、欠壓保護(hù)和限流功能，效率高。下面給出基本應(yīng)用電路和效率曲線。

MT3608技術(shù)數(shù)據(jù)：

IC的每個(gè)引腳的引腳圖和功能如下-

MT3608 的絕對最大額定值

IN、EN 電壓 -- -0.3V 至 26V

工作溫度 -- -40°C 至 +85°C

FB 電壓 -- -0.3V 至 6V

結(jié)溫——160°C

SW 電壓 -- -0.3V 至 30V

存儲(chǔ)溫度范圍 -- -65°C 至 150°C

峰值 SW 灌電流和拉電流 -- 4A

MT3608 IC 能夠接受低至 2V 的輸入電壓。對于我們的應(yīng)用，我們有一個(gè)固定的 5V 輸入，我們要求的輸出應(yīng)該低于 12V，因此我們將根據(jù)我們的要求設(shè)計(jì)電路。示意圖如下所示：

如何設(shè)置輸出電壓

我們 IC 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為 0.6V。輸出電壓可以通過改變電阻器 RV1 和 R2 的值來控制，電阻器 RV1 和 R2 由公式給出 -

如果你愿意，你可以用一個(gè) 50K 歐姆的固定電阻來代替電位器，這會(huì)給你一個(gè) 9.6V 的恒定輸出，這將適合我們的應(yīng)用。

電感值應(yīng)介于 4.7uH 至 22uH 之間。為了提高升壓電路的效率，電感器必須在 1.2mHz 頻率（MT3608 的工作頻率）下具有較低的磁芯損耗和較低的 DCR 值。輸入和輸出電容均應(yīng)為 22uC，應(yīng)優(yōu)先選擇 ESR 值較低的陶瓷電容。選擇二極管時(shí)，二極管的擊穿電壓值應(yīng)大于輸出電壓，因此肖特基二極管是此應(yīng)用的不錯(cuò)選擇。此外，二極管的額定電流應(yīng)滿足輸出電流乘以峰值電流的均方根，可寫為

對于我們的案例，我們將使用額定電流為 2 安培的肖特基二極管。

將組件放置在 PCB 中時(shí)的一些重要考慮因素

輸入和輸出電容應(yīng)靠近 IC 放置。

主電流走線應(yīng)保持短而寬（至少 20 mil）

公共接地層將有助于降低噪聲并用作散熱器。

設(shè)計(jì)該電路所需的元件有：

電容器

2 x 22uF

2×10uF

1 x 0.1uF

二極管

2 個(gè)肖特基二極管

1 個(gè) LED

集成電路

1 個(gè) MCP73844

1 個(gè) MT3608

電感器

1 x 20uH

電阻器

1 個(gè)鍋

1×3.3

1 x 100 毫歐

1 x 1k

MOSFET

S19443BDA

設(shè)計(jì)和制造模塊

選擇所有組件后，我使用KiCad 的原理圖編輯器 Eschemia 繪制了原理圖。示意圖如下。如上所述，電路分為兩部分，升壓電路和充電器電路。

完成原理圖后，我將文件導(dǎo)出到 KiCad 的 PCB 編輯器。牢記所有設(shè)計(jì)約束。我放置了所有組件并為公共接地做了銅澆注，如下圖所示。

檢查PCB連接后，我打印了PCB并使用鐵盒將印刷品印在覆銅板上。覆銅板上的印記很好，然后我將 PCB 浸入氯化鐵溶液中，并根據(jù)需要在銅溶液上留下痕跡。

注意：使用 SMD 元件時(shí)，請始終記住拍攝 PCB 印刷品的鏡像，因?yàn)楫?dāng)您將印刷品從紙轉(zhuǎn)移到覆層時(shí)，您會(huì)得到鏡像印刷品。

檢查走線的連接性后，我焊接了板上的所有組件，之后剩下的就是測試設(shè)置。您可以從給定的鏈接下載Gerber 文件。

使用 5V 輸入測試電路

為了測試電路，我連接了 2 節(jié)標(biāo)稱電壓為 3.7 V 和容量為 1200mAh 的鋰離子電池。兩個(gè)電池串聯(lián)時(shí)都充電至 7.55V。我連接了設(shè)置，充電燈開始發(fā)光。對于電源，我使用了 Apple 的 10W 充電器，并用 USB 轉(zhuǎn) DC 桶形插孔電纜連接。電池在充滿電之前連接了大約 50 分鐘，并且 LED 指示燈自動(dòng)關(guān)閉，指示充電完成。

當(dāng)我們測量流向電池組的電流時(shí)，它最大約為 1A，大部分時(shí)間約為 100mA-500mA。在最大功率下，電池以大約 9W 的功率充電。

使用 12V 輸入進(jìn)行測試

當(dāng)我們用 12Volt 充電器為充電器模塊供電時(shí)，輸出電壓在 8-10V 左右，但輸出的電流高達(dá) 2.2Amp，功率超過 16W。使用此設(shè)置，電池在快速充電階段可能會(huì)稍微變熱，但這應(yīng)該不是問題，也不會(huì)降低電池的使用壽命。

最終判決

這是一個(gè)非常簡單但有效的電路，可用于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品。整個(gè)系統(tǒng)的尺寸可以有效地減小，但是因?yàn)槲覀冊噲D在內(nèi)部制造它，所以我們沒有將組件放置得很近。充電模塊具有非常高的效率并具有許多功能，例如對電池進(jìn)行預(yù)處理，這是便宜的選項(xiàng)所不具備的，此功能以可控的方式補(bǔ)充過放電的電池，從而提高電池的使用壽命。這種高度可定制的設(shè)計(jì)可以真正提高電池組的整體效率和健康狀況。