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双锂离子/锂聚合物 USB Type-C 充电器

发布时间:2022-05-16
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双锂离子/锂聚合物 USB Type-C 充电器

发布时间:2022-05-16
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如今,锂电池广泛用于便携式设备,如手机、笔记本电脑、电子产品等。锂离子/锂聚合物电池有一个标准的行业定义程序(循环),否则,电池的使用寿命会大大缩短,甚至可能会爆炸和着火。作为基本经验法则,锂电池应以 0.5C 至 1C 的速率充电。在这篇文章/视频中,我介绍了一种通用双锂电池充电器,只需改变一个电阻值即可调节充电电流(C 倍率)。您只需要一个 5V 电源(例如移动充电器)和一根 USB Type-C 数据线。

为了设计原理图和 PC,我使用了 Altium Designer 22 和 SamacSys 组件库(Altium 插件)。为了获得高质量的 PCB 板,我将 Gerber 发送到 PCBWay,并使用 componentsearchengine.com 购买了原始组件。为了检查充电电流/电压,我使用了 Sigilent SDM3045X 万用表。

视频演示:

电路分析

图 1 显示了该装置的示意图。电路的核心(IC1 和 IC2)是 Microchip  的 MCP73831 芯片。

图1-锂离子/锂聚合物 USB Type-C 充电器示意图

根据 MCP73831 数据表:“MCP73831/2 器件是高度先进的线性充电管理控制器,适用于空间有限、成本敏感的应用。MCP73831/2 采用 8 引脚 2 mm x 3 mm DFN 封装或 5 引脚 SOT-23 封装。除了较小的物理尺寸外,所需的外部元件数量也很少,这使得 MCP73831/2 非常适合便携式应用。对于从 USB 端口充电的应用,MCP73831/2 符合管理 USB 电源总线的所有规范。MCP73831/2 采用恒流/恒压充电算法,具有可选的预充电和充电终止功能。恒定电压调节固定有四个可用选项:4.20V、4.35V、4.40V 或 4.50V,以适应新出现的电池充电要求。恒流值由一个外部电阻器设置。MCP73831/2 器件在高功率或高环境条件下根据芯片温度限制充电电流。这种热调节优化了充电循环时间,同时保持了器件的可靠性。”

该芯片的充电电流可在 15mA 至 500mA 范围内进行编程,涵盖了大多数应用。MCP73831 与 MCP73832 的一个主要区别是充电状态引脚。我决定为这个项目选择 MCP73831。图 2 显示了芯片的充电周期,这是一个完整的充电周期。

图 2-100mA 电池的完整充电周期(参考:数据表)

C1、C2、C3 和 C4 用于降低电源噪声。D1 是一个 LED,指示电源(Type-C 电缆)连接是否正确。R1 限制 LED 的电流。

CON1 是 Type-C 母头 USB 连接器。R2 和 R4 定义了 H1-P1 和 H2-P2 电池连接器的充电电流。D2 和 D3 指示充电状态。亮起的 LED 指示充电周期已完成。充电电流可以使用公式 1 计算。因此,最大充电电流 (500mA) 是使用 2K 电阻实现的。

图3--IC1和IC2的充电电流计算公式

PCB布局

图 4 显示了设计的 PCB 布局。它是一个两层PCB板。为了获得高质量的制造板,我将 Gerbers 发送到 PCBWay 并收到了 10 个 PCB。除电池座/连接器外,所有组件均为 SMD。

图 4-锂离子/锂聚合物 USB Type-C 充电器的 PCB 布局

当我决定为这个项目设计原理图和 PCB 时,我意识到我的组件库存储中没有 IC1 和 IC2 [2] 的组件库。因此,像往常一样,我选择了 IPC 级 SamacSys 组件库,并使用免费的 SamacSys 工具和服务安装了缺少的库(原理图符号、PCB 封装、3D 模型)。将库导入电子设计CAD软件有两种方式:您可以访问componentsearchengine.com下载并导入库,也可以使用SamacSys CAD插件直接将库导入/安装到设计环境中。由于我使用 Altium Designer,所以我使用 SamacSys Altium 插件安装了缺失的库(图 5)。图 6 显示了电路板的 3D 视图和 PCB 板的两个组装图。

图 5-SamacSys Altium 插件中的选定组件库 

图 6-PCB板的3D视图和两个组装图

组装和测试

图 7 显示了组装好的 PCB 板。焊接的唯一棘手部分是 USB Type-C 连接器。您应该使用热风站和焊膏来焊接这些组件,否则使用普通烙铁很难焊接,但是其他组件很容易焊接。如果您是初学者或没有足够的时间购买组件并自行焊接,您可以订购组装板。 

图 7-锂离子/锂聚合物 USB Type-C 充电器的组装 PCB 板

我已将其中一个通道的充电电流配置为接近 450mA(使用 2.2K 电阻),另一个通道配置为 100mA(使用 10K 电阻)。因为我打算在通道 1 中为我的一个锂离子电池充电,在通道 2 中为一个小的 200mA 锂聚合物电池充电。图 8 显示了充电时的电池电压。我使用 Siglent SDM3045X 万用表作为参考。

图 8-充电周期期间的电池电压 (Silent SDM3045X)

充电周期结束后,红色 LED 灯亮起并指示电池已充满。图 9 显示 LED 指示灯和电池电压。如测量所示,我的 LiPo 电池截止电压为 4.185V,非常接近定义的标准。做得好!

15mV的差异可能是电池质量或电池保护电路影响的结果。

图 9-充满电池的 LED 指示灯和电池电压 (Siglent SDM3045X)

物料清单 (BOM)

图 10 显示了该项目的材料清单。

图 10-材料清单

以上就是这个内容的全部内容了。

* 以上内容翻译自网络,By Hesam Moshiri, Anson Bao,如涉及侵权可联系删除。

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