孫川+王春芳

摘 要：文章基于電源管理芯片LTC4020為24V24AH鋰電池組設(shè)計(jì)了一款充電機(jī)，其輸入電壓范圍為12V～55V直流電壓，輸出電流、電壓符合充電規(guī)律。同時(shí)設(shè)計(jì)了充電機(jī)的欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)以及軟啟動(dòng)等功能電路。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：控制芯片LTC4020；升降壓斬波器；充電機(jī)；鋰電池

在設(shè)計(jì)充電機(jī)時(shí)，當(dāng)電路輸入電壓在輸出電壓值（充電電壓）上下變動(dòng)時(shí)，很難設(shè)計(jì)出高效率的充電機(jī)，一般采用多個(gè)DC/DC變換器來(lái)達(dá)到升降壓的目的。本文基于電源管理芯片LTC4020設(shè)計(jì)了一款充電機(jī)，其輸入電壓范圍為12V～55V直流電壓（和LTC4020輸入電壓范圍相同），輸出恒定電壓為24V。LTC4020有鋰電池和鉛酸蓄電池兩種充電模式，可實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、電池過(guò)流和過(guò)放保護(hù)、電池溫度保護(hù)以及軟啟動(dòng)等各類保護(hù)等功能，充電電流精度可達(dá)±5%，浮充電壓精度可達(dá)±0.5%。本設(shè)計(jì)采用鋰電池充電模式，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 充電機(jī)電路原理

如圖1所示為充電機(jī)簡(jiǎn)化電路，通過(guò)控制芯片LTC4020控制四個(gè)開(kāi)關(guān)管輸出恒定電壓為電池充電。LTC4020芯片總共38個(gè)引腳，其中TG2、GB2、BG1、TG1引腳分別作為開(kāi)關(guān)管A、B、C、D的驅(qū)動(dòng)，根據(jù)輸入電壓的變化使電路工作在Buck或Boost模式下輸出恒定電壓，并在開(kāi)關(guān)管A、B附近通過(guò)檢測(cè)電阻電壓控制電路電流，防止電流過(guò)大。由BGATE引腳控制開(kāi)關(guān)管E對(duì)電池充電，當(dāng)BAT引腳檢測(cè)電池電壓充滿時(shí)斷開(kāi)BGATE引腳，并在開(kāi)關(guān)管E附近實(shí)時(shí)檢測(cè)充電電流，防止過(guò)充。對(duì)主電路進(jìn)行詳細(xì)分析如圖2所示。

圖2所示為L(zhǎng)TC4020控制芯片的主電路，VIN為寬范圍輸入電壓12V～55V，開(kāi)關(guān)管工作頻率為250kHz，VOUT經(jīng)P構(gòu)造開(kāi)關(guān)管E為電池充電，同時(shí)為負(fù)載供電以便電池欠壓時(shí)也可正常工作。

主電路的工作原理如下：當(dāng)輸入VIN高于VOUT時(shí)，此時(shí)充電電路工作于降壓（Buck）模式，開(kāi)關(guān)管A（由TG1引腳驅(qū)動(dòng)）和開(kāi)關(guān)管B（由BG1引腳驅(qū)動(dòng)）為PWM驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。理想狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管D（TG2引腳驅(qū)動(dòng)）將持續(xù)導(dǎo)通而開(kāi)關(guān)管C（由GB2引腳驅(qū)動(dòng)）將保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，此時(shí)電路的工作狀態(tài)類似于Buck拓?fù)潆娐?。但在?shí)際中，開(kāi)關(guān)管D需要通過(guò)自舉電路驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，所以開(kāi)關(guān)管C每個(gè)周期需導(dǎo)通150ns以更新驅(qū)動(dòng)，為防止對(duì)地產(chǎn)生直通電流，開(kāi)關(guān)管D在此時(shí)間內(nèi)嚴(yán)禁導(dǎo)通，為此設(shè)計(jì)75ns死區(qū)時(shí)間保護(hù)電路。當(dāng)VIN低于VOUT時(shí)，此時(shí)充電電路工作于升壓（Boost）模式，開(kāi)關(guān)管C和D為PWM驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。理想狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管A將持續(xù)導(dǎo)通，而開(kāi)關(guān)管B將保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，此時(shí)電路的工作狀態(tài)類似于Boost電路拓?fù)?。但在?shí)際中，開(kāi)關(guān)管A同樣應(yīng)用了一個(gè)自舉電路驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，所以開(kāi)關(guān)管B每個(gè)周期需導(dǎo)通100ns以更新驅(qū)動(dòng)，為防止對(duì)地直通電流，設(shè)計(jì)75ns的死區(qū)時(shí)間。當(dāng)VIN接近于輸出時(shí)，將會(huì)控制充電電路工作于四開(kāi)關(guān)（Buck-Boost）模式，即控制四個(gè)開(kāi)關(guān)管均為PWM驅(qū)動(dòng)的工作狀態(tài)。

2 主電路參數(shù)計(jì)算

主電路中電感值選擇的主要標(biāo)準(zhǔn)是電感中所產(chǎn)生的紋波決定的，一旦電感值確定后，電感中的飽和電流必須大于等于電感中的尖峰電流。通過(guò)設(shè)計(jì)最大理想紋波電流（△IMAX）計(jì)算電感值（L），紋波電流的范圍一般是電感最大平均電流的0.2～0.5倍。當(dāng)工作在降壓模式時(shí)，紋波電流隨著輸入電壓的增大而增大，當(dāng)VOUT=VIN/2時(shí)，紋波電流達(dá)到最大值。當(dāng)工作在升壓模式時(shí)，紋波電流隨著輸出電壓的增大而增大，當(dāng)VIN=VOUT/2時(shí)，紋波電流達(dá)到最大值，所以應(yīng)在最優(yōu)方式下選擇電感。

電感的最小值與最大紋波電流和操作頻率的關(guān)系如下：

在降壓模式下，VIN取最大的可操作電壓，如果預(yù)期的輸出電壓范圍中包含VIN（MAX）/2，則把此值帶入VOUT，當(dāng)VOUTVIN（MAX）/2時(shí)，VOUT取輸出電壓的最小值。

在升壓模式下，VOUT（MAX）取最大的輸出電壓，如果VIN范圍內(nèi)包含VOUT（MAX）/2，則取VIN=VOUT（MAX）/2，如果VIN

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，采用18V輸入電壓，電感采用20uH，開(kāi)關(guān)管工作頻率為250kHz，輸出恒定電壓24V，并為鋰電池（24V24AH）進(jìn)行充電，充電曲線如圖3所示。首先檢測(cè)電池電壓，因電池電壓低于電池正常充電電壓最小值即20.4V，首先為電池涓流預(yù)充電，充電電流很小，約20分鐘后電池電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)充電要求，此時(shí)進(jìn)入恒流充電，此階段電池電壓急速增加，當(dāng)電池電壓接近飽和電壓時(shí)進(jìn)入最后的恒壓充電，此階段為電池提供25.2V的恒定電壓，充電電流逐漸減小，4小時(shí)后充電電流接近為零，電池充滿。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于LTC4020的控制芯片，為24V24AH的鋰電池組設(shè)計(jì)了一款充電機(jī)，該充電機(jī)的輸入電壓可在12V到55V直流之間變動(dòng)。首先對(duì)芯片的外圍電路原理進(jìn)行了分析，然后對(duì)參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)過(guò)程參數(shù)選擇基本合理，該充電機(jī)可工作于寬范圍的輸入電壓，較傳統(tǒng)采用多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器達(dá)到升降壓目的方法具有體積小、效率高等特點(diǎn)符合要求。

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