一文搞定便携式锂电池包快速充电设计

综 述

随着便携式产品的迅速发展，各种电池的用量大增，贝能国际有限公司推出便携式锂电池包充电管理快速充电参考设计。本参考设计采用Microchip公司的MCP19118作控制芯片，Infineon的第5代OptiMOS作功率转换，对便携式锂电池包进行快速大电流充电管理，外围器件少，电转换效率高，纹波电流小，保护功能完善。

控制芯片MCP19118为具有同步驱动器的数字增强型功率模拟控制器，集成了模拟PWM控制器和8位MCU，既有模拟器件的快速动态响应，也可以灵活的实现充电曲线及各种功能。第5代OptiMOS的Rdson更小，寄生电容更小，寄生二极管的Trr也更小，更适用于高频PWM的功率转换电路，对整体性能的提升有较大的帮助。

原理框图：

原理图：

实物图：


功能:
对多节串联锂电池进行大电流充电管理
待机时，可以提供输出电压，电池包可以判断是否合适的充电器
插上电池，不会产生冲击电流，充电器自动检测电池，并自动启动充电
可以实现多种保护功能，如输入电压欠压过压保护、输出过流保护、温度保护等

电气参数:
输入电压：32Vdc
负载：6串锂电池组
恒压充电压：26.1V(6S，每节4.35V)
恒流充电流：10A max
预充电压：18V；预充电流：1A；停充电流：0.5A
输出电流纹波：＜200mA@IOUT = 10A
开关频率：300KHz
效率：＞97% max

目标应用:
电池快速充电
器件型号：
MCP19118 *1
MCP6072 *1
MIC5233*1
BSC032N04LS *2
BSC030P03NS3 *1

芯片介绍
片介绍
MCP19118具有集成同步驱动器的数字增强型功率模拟控制器，集成了模拟PWM控制器和8位 MCU。

模拟PWM控制器特点：
输入电压范围: 4.5~ 40V
开关频率: 100 kHz~1.6 MHz
静态电流: 5 mA
高端驱动：+5V，1A/2A灌电流，1A/2A吸电流
低端驱动：+5V，2A灌电流，4A吸电流
峰值电流模式控制
输出差分采样
多输出系统：主/从，频率同步
参数可配置
热关断
8位 MCU特点：
精密8MHz内部振荡器
4096字片上程序存储器
256字节RAM
11个I/O引脚和一个只输入引脚
外部8通道10bit精度的AD转换
2个8bit定时器和1个16bit定时器
I2C通讯接口
封装：24-pin 4 mm x 4 mm QFN

工作情况

1、效率曲线图



2、电感电流波形及驱动波形
注：功率电感电流波形及高低端MOS管驱动波形。其中：①黄色：高端驱动波形；④绿色：低端驱动波形；③紫色：电感电流

1) 启动时的小电流时的波形，低端驱动在电感电流接近0时关闭。


2)  4A时的波形。高端驱动在占空比>50%时，由于有斜波补偿，可以很好的工作；低端驱动在电感电流接近0时关闭。右图为展开图。



3) 7A时的波形。高端驱动在占空比>50%时，由于有斜波补偿，可以很好的工作；低端驱动基本与高端驱动互补，除了死区时间。右图为展开图。



4) 10A时的波形。高端驱动在占空比>50%时，由于有斜波补偿，可以很好的工作；低端驱动基本与高端驱动互补，除了死区时间。右图为展开图。


3、输出电流波形

注：4A/7A/10A时的输出电流波形。其中：①黄色：高端驱动波形；④绿色：低端驱动波形；③紫色：输出电流
1）4A时的波形


2）7A时的波形

3）10A时的波形

输出电流在4A/7A/10A的情况下，输出纹波电流都很小。

4、热成像
注：输出电流10A，30分钟，无风，室温，无其他辅助散热。
Q1(高端MOS)：94.1℃；Q3(低端MOS)：88.8℃；Q2(输出开关MOS)：72.5℃；L1(功率电感)：89.4℃；U2(控制芯片)：88.5℃



结  论

锂离子电池以其特有的性能优势已在越来越多的便携设备中得以广泛应用，可以预见，未来锂离子电池充电器设计，将以更快速的充电速率及更强健的系统保护能力拓宽更多应用领域。