【Maker電子學】可充電鋰電池的充電電路實作

作者:Bird

上次我們談了可充電式鋰離子電池的充電與管理,這次我們就實際來做一個鋰電池的充電電路吧!

歷久彌新的 4054

這次我們要介紹的鋰離子電池充電管理 IC,叫做 XX4054。為什麼是叉叉呢?因為叉叉可以代表很多東西,目前市面上有很多鋰離子電池單顆電芯的充電管理 IC,像是 TP4054、ACE4054、BL4054 等,它們的編號都有個 4054 的尾巴,而且也都是五隻腳的 SOT-23 包裝。哪有這麼巧的事!全天下做鋰離子電池單電芯的充電管理 IC 都取這個編號,而且封裝還一樣?這其中必有內情。

其實這些叫做 XX4054 的鋰離子電池充電管理 IC 有個共同的祖師爺,就是 Linear Technology 在 2000 年左右推出的 LTC4054(對,你沒看錯,這是一顆已經將近 20 歲 的 IC 了)。隨著 Linear Techonogy 被 Analog Devices 收購,這顆歷久彌新的 IC 也被納入 Anaog Devices 的旗下,不過仍然保有原來 Linear Techonogy 的編號。

Linear Technology 推出的 LTC4054(圖片來源:Bird 提供)

LTC4054 是一個非常成功的產品,簡單、易用、可靠、又便宜,它被廣泛使用在各種 2000 mAh 以下的鋰離子電池單電芯充電電路中。所謂「好產品不寂寞」,一定會有人跟,於是市場上就出現了各式各樣的「相容品」,也就是我們現在看到的這些 XX4054。

一張圖就結束了

LTC4054 的應用真的非常簡單,簡單到一張圖就可以道盡一切。這是 LTC4054 的 datasheet 上的圖,也是它的典型應用電路:

LTC4054 datasheet 上的電路圖(圖片來源:Bird 提供)

這是一個用 600 mA 對單電芯鋰離子電池充電的電路,簡單到除了 LTC4054 本人外,只需要一個設定充電電流的電阻,以及一個在電源上的濾波電容。

這裡的「充電電流」指的是鋰離子電池在 CC 充電模式下的最大電流。我們上次提過,鋰離子電池在端電壓未滿 4.2 V 時,要使用電流源或限流電路進行 CC 定電流模式充電,以免過大的電流損壞電池的極板,至於電池在 CC 模式下可以承受多大的充電電流,則必須看電池的規格。

隨著鋰離子電池的電量越來越多,它的端電壓會越來越高,當它的端電壓達到 4.2 V 時,就要進入 CV 定電壓模式充電,也就是對電池施加 4.2 V 的定電壓,至於多少電流會流入電池裡,則由電池的充飽程度來決定。CV 模式下的充電電流會比 CC 模式下小很多,而且會隨著時間快速下降,當下降到一個程度後,我們會認為電池充飽了,隨機就可以把充電電路關閉,這樣就完成了一次鋰離子電池電池的充電囉!

在 LTC4054 的 datasheet 上用了一張圖表示上面講的整個過程:

750 mAh 電池充電的電流與時間圖(圖片來源:Bird 提供)

這張圖是假設我們用上面那個電路來充一顆 750 mAh 的電池,而且剛開始充電時,電池幾乎是完全沒電的,端電壓只有 3.2 V 左右。

剛開始充電時,由於電池的端電壓很低,電源與電池電壓的差距很大,在 LTC4054 上的功率消耗會是:

PD =(VCC – VBAT)* ICHG

以這個例子來看,假設電源是 5 V,LTC4054 上會有這麼大的功耗:

PD =(5 – 3.2)* 0.6 = 1.08(W)

這其實不是一個隨隨便便可以忽略的功耗,以 SOT-23 的包裝來說,IC 裡面大概會有 100 ℃ 以上的溫升。不過不用擔心,LTC4054 有內建過熱保護,當它偵測到晶片上的溫度超過 120 ℃,就會啟動過熱保護,限制充電的電流,以避免晶片的溫度再繼續上升,這就是上面那張圖最前面的「Constant Power」那一段線條。這個地方的充電電流跟整體電路實際組裝的散熱能力、環境溫度有關,因此不容易直接計算出來。

當電池的電壓上升到壓差沒那麼大時,LTC4054 就可以火力全開,用全部的 CC 電流對電池充電,這就是圖上充電電流維持在 600 mA、寫著「Constant Current」那個區間。

隨著電池的電壓上升,電池的端電壓跟電源電壓的壓差會越來越小,當壓差不足以讓電流源維持設定的電流時,充電電流就會開始下降(即使此時電池的端電壓還沒到達 4.2 V)。這是這種線性電源的一個限制,因此我們從圖上可以看到,在電池電壓達到大概 4.1 V 左右時,充電電流就開始下降,但此時其實還是在 CC 模式下,如果我們增加電源電壓的話,在電池電壓達到 4.2 V 之前,都還是可以讓充電電流達到 CC 設定的電流。

當電池電壓達到 4.2 V 後,LTC4054 會進入 CV 充電模式,這時候它就像一個穩壓 IC 一樣,供應 4.2 V 的電壓給電池,並持續監控充電電流。隨著電池內的電量越來越接近滿電,流進電池的電流也越來越小,當充電電流小於 CC 電流的十分之一時,LTC4054 就會將電源關掉,結束整個充電週期,我們也就餵飽了這顆 750 mAh 的電池。

充電電流的設定

LTC4054 利用接在第五支腳 PROG 上的一顆電阻來設定 CC 模式下的最大充電電流。在 CC 模式下,PROG 腳會被一個回授電路維持在 1 V,而對電池充電的電流就是 PROG 腳流出電流的 1000 倍,我們可以用這樣的算式來表示:

ICHG = IPROG* 1000 = (VPROG/RPROG)* 1000 = (1 /RPROG)* 1000

以前面的例子來說,如果我們要設定 CC 模式下的最大電流是 600 mA,就要用這麼大的電阻:

0.6 =(1 /RPROG)* 1000

RPROG = 1000 / 0.6 = 1666 = 1.666 K

E96 系列的數字沒有 1.666 這個值(最接近的是 1.65 ),因此前面那個 600 mA 的例子用的 RPROG 是 1.65 K。

事實上 RPROG 這支腳上的電流完全反映了 LTC4054 在各個模式之下對電池充電的電流,不管在哪個模式下, ICHG都是 IPROG 的 1000 倍。由於 RPROG 是已知的,我們可以直接測量 PROG 上的電壓,來得知任何時候流進電池的充電電流。

PROG 這支腳也可用來關閉 LTC4054 的充電週期。如果我們把 PROG 腳浮空,它裡面有一個 3 uA 的電流源會讓這支腳的電壓上升,當 PROG 的電壓超過 1.21 V 以上,LTC4054 就會關機,停止充電。

LTC4054 所允許的最大充電電流是 800 mA,這對大部分的裝置來說已經很夠用了。由於它裡面的充電控制電路是採用線性穩壓電源,電源電壓和電池電壓的壓差會直接反映在 LTC4054 本身的發熱上,因此電源電壓的選擇也是門學問。LTC4054 可以接受 4.25 V 到 6.5 V 的電源電壓,由於它裡面沒有 DC-DC boost 的電路,因此如果電源電壓低於電池的終端電壓再加上內部線性穩壓器的最小壓差,它就永遠不可能把電池充飽,這也是為什麼它的最低工作電壓是 4.25 V 的原因。

電源電壓設計太低,會讓 CC 模式在結束之前就無法維持定電流,減慢充電的速度。電源電壓設計太高,則會讓 LTC4054 在 CC 模式的前期有太大的發熱,如此會增加系統設計的複雜度,因此最常拿來供應 LTC4054 的電源電壓是 5 V,也剛好我們可以利用隨手可得的 USB VBUS 來當作 LTC4054 的電源。

不過,在利用 VBUS 供電給 LTC4054 時,需要注意電流的設定(如果要讓 LTC4054 在 CC 模式下使用超過 500 mA,就要確定所使用的 USB 電源來源可以供應超過 500 mA 的電流)。電腦上的標準 USB 孔如果有乖乖按照規格設計的話,在沒有 USB BC handshaking 的狀況下,只能供應最大 500 mA 的電流。在 LTC4054 的 datasheet 中,有一個電路範例,是根據電源的來源動態地調整 RPROG,以適應標準的 USB 充電電流以及非標準的、更大的充電電流,有興趣的讀者可以參考這個設計。

充電指示燈

前面說過,LTC4054 是一顆 SOT-23 五隻腳的 IC,但範例的電路只用了四支腳,還有一支去哪裡了呢?

剩下的那支腳叫做 CHRG,是一支充電狀態指示腳(這是一支 open drain 的輸出腳)。當 LTC4054 在充電時,這支腳會被內部的 MOSFET 拉到地,而且它的 sink 能力還蠻強的,可以吸收 20 mA 的電流,拿來推動一般的 LED 絕對沒有問題(還得加限流電阻呢)。

當充電週期結束後,這支腳會變成一個 weak pull-down 的狀態,它的 sink 電流大概是 20 uA,而 LTC4054 如果沒有電源的話,這支腳就完全是高阻抗狀態。

因此,一個典型的用法,就是在這支腳上接一個經由限流電阻到 VCC 的 LED,這個 LED 就可以當作充電指示燈。當 LTC4054 在充電時,LED 就會亮;當 LTC4054 停止充電時,由於 20uA 的 weak pull down 無法點亮 LED,因此 LED 就會熄滅。

下面就是一個典型的 LTC4054 應用電路:

LTC4054 的應用電路(圖片來源:Bird 提供)

LED 的限流電阻選用我們在淺談 LED 驅動的背後學問一文中有提過。以圖中的紅色 LED 來說,Vf 大概在 2.2 V 左右,我們需要 2.5 mA 左右的電流讓 LED 點亮,因此限流電阻就是:

RLED= (5 – 2.2) / 0.0025 = 1120

由於這個電流不用非常精確,選用 1 Kohm 的電阻就能滿足我們的需求。

這個電路中使用的零件是 TP4054,事實上我們可以去對一下這些 XX4054 的 datasheet,就會發現它們跟 LTC4054 都是完全相容的產品,不僅編號相似,連封裝、接腳、特性都一樣。不過在使用前,仍然建議讀者詳讀文件,以確定所有的特性都相容。

小結

我們花了幾次的篇幅,和讀者們談了很多關於電池的話題,希望大家在設計自己的 Maker 專案時,對於需要使用電池的設計,都能有更多的發揮。各位讀者如果有任何問題,都歡迎在粉絲專頁發問。

(責任編輯:賴佩萱)

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在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
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Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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