基于MCP73844集成电路的先进2S锂离子/锂离子电池充电系统设计

在这个项目中，我们将使用微芯片中的MCP73844模块来制作一个2S充电器模块。该充电器能够承受2- 12v的电压，并以2S配置为锂离子电池和锂电池充电。这个项目的目的是开发一个充电电路，可以用作任何消费级项目的子系统。充电器模块可以与标准的移动适配器或移动电源连接，也可以与12伏的充电器连接。我还会告诉你我们如何通过修改单个组件来使用相同的电路为单个锂离子或锂离子电池充电。在这个项目中，我将在内部设计和制造整个电路，从电路设计，PCB制作到焊接SMD组件都是在内部完成的。我们还将看到如何改变充电速率、散热和其他参数，以使电路适合不同的用例。

电池充电器电路概述

如上所述，电路可以接受2V到12V之间的任何电压，因此我们主要关注的是5V输入，这是所有手机充电器，移动宝，甚至电脑的USB端口所提供的。电路分为两部分。当使用5V输入时，第一步是从5V提升电压，以便我们的充电器IC可以使用它。我们把电压提高到12伏。升压后的电压被输入到充电控制器电路中，该电路给出一个受控的输出来给电池充电。

MCP73844线性电荷管理控制器

系统的核心是充电器管理控制器IC，本课题采用的是微芯片MCP73844。该IC属于微芯片的线性管理控制器系列MCP 7384x，专为低成本和空间有限的应用而设计。这些高度先进的集成电路具有恒压(CV)和恒流(CC)充电技术，与大多数低成本产品不同，具有诸如电池预处理，自动充电终止，充电指示，安全定时器甚至可选的电池温度监测等功能。我们使用的IC采用8引脚MSOP封装，如果您想要可选的电池温度功能，您可以选择MCP73841或MCP73842。下面给出了MCP73843/MCP73844模块的应用电路。

图1锂离子电池充电器电路

我们的IC的功能框图取自数据表，如下所示：

在上述功能框图中，2引脚即THREF和THERM仅在用于监测电池温度的MCP73841/ MCP73842中可用，这些IC采用10引脚MSOP封装，不像我们使用的IC的8引脚MSOP封装。除了这两个引脚外，所有4个ic的连接和功能都是相似的。ic的引脚描述如下：

组件选择

充电器是高度可定制的，我们可以选择不同的充电速率，效率等通过选择不同的被动元件。我们设计的充电电路是针对2S电池配置的最大充电速率为2A/小时。最大功率将通过最大输出电压(Vout_max)与最大输出电流(Iout_max)的积分来给出。因此，功率将是16.8瓦。我们的IC的连接如下所示。

在这里，R3电阻作为一个分流电阻。输出电流基于这个分流电阻公式的值，该公式的值由Rshunt = VFSC / IFSC给出

这里，Rshunt是分流电阻的值

由上式可知，快充电流与分流电阻成反比，通过改变R3的值就可以达到期望的输出。

注意:

电阻器的值将改变此时的发热量和功率损耗，可通过公式P=R*(I*I)计算。

因此，在确定快速充电速率时，您必须考虑到这一点。

我们使用的MOSFET是p通道MOSFET S19433BDY，您可以用Fairchild™NDS8434或IRF7404代替它。

电池管理输入引脚(VDD)

VDD是防止电池耗尽的输入电源，当VDD电源不存在时，它进入下电模式，低于一定的电压阈值，从而提高电池的寿命。

我们使用肖特基二极管来防止反向电流流向升压电路。

热的考虑

在选择组件时，您要么必须限制充电电流，要么必须增加铜垫的尺寸，并包括多个过孔，以有效散热，以获得更好和更持久的操作。在选择组件时，您必须进行设计权衡。

绝对最大评级

VDD - 13.5v

所有输入和输出w.r.t。——-0.3至(VDD+0.3)V

DRV引脚电流-±4ma

STAT1引脚电流-±30 mA

最高结温，TJ—150°C

储存温度-- 65°C至+150°C

我们的充电器参数：

如果您想为1S电池或单个锂离子/锂离子电池设计充电器，您可以用MCP73841或MCP73842替代MCP73844。MCP73841将具有完全相同的电路，而MCP73842将仅具有用于温度测量的额外连接。剩下的电路将保持不变。

升压电路使用MT3608

如上所述，我们的IC的工作电压在8.7 V到12v之间，因此，为了使这个系统兼容5v输入，我们需要设计一个升压电路。考虑到这个充电器可以用于消费级产品，我们使用的IC是MT3608，它采用6针SOT23封装，它具有热过载保护，欠压保护和限流，同时具有高效率。基本应用电路和效率曲线如下图所示。

MT3608技术参数：

IC各引脚的引脚图及功能如下图所示

绝对最大额定MT3608

IN， EN电压-- 0.3 v至26V

工作温度-- 40°C至+85°C

FB电压—-0.3V至6V

结温- 160°C

SW电压—-0.3V至30V

储存温度范围-- 65°C至150°C

峰值SW吸收和源电流- 4A

MT3608集成电路能够接受低至2V的输入电压。对于我们的应用，我们有一个固定的5V输入，我们需要的输出应该低于12V，因此我们将根据我们的要求设计电路。原理图如下：

如何设置输出电压

我们的IC的内部基准是0.6V。输出电压可以通过改变电阻RV1和R2的值来控制，该值由公式-给出

如果您愿意，您可以使用50K欧姆的固定电阻替换锅，这将为您提供9.6V的恒定输出，这将适合我们的应用。

电感值应在4.7uH至22uH之间。为了提高升压电路的效率，电感器必须在1.2mHz频率(输出MT3608的工作频率)下具有较低的铁芯损耗和较低的DCR值。输入和输出电容都应该是22uC，最好选用ESR值较低的陶瓷电容。在选择二极管时，二极管的击穿电压值应大于输出电压，因此肖特基二极管是此应用的良好选择。此外，二极管的额定电流应满足输出电流乘以峰值电流的均方根，可以写成

对于我们的案例，我们将使用肖特基二极管，额定电流为2安培。

在PCB中放置组件时需要考虑的一些重要事项

•输入和输出电容应靠近集成电路。

•主电流走线应保持短而宽(至少20mil)。

•一个共同的接地平面将有助于减少噪音，也可以作为散热器工作。

设计该电路所需的元件有：

电容器

•2 × 22uF

•2 × 10uF

•1 × 0.1uF

二极管

•2 ×肖特基二极管

•1 xLED

ICs

•1 * MCP73844

•1 × MT3608

电感器

•1 × 20uH

电阻

•1个锅

•1 × 3.3

•1 × 100mohm

•1 x 1k

场效应晶体管

•S19443BDA

模块的设计与制作

在选择了所有组件之后，我使用KiCad的原理图编辑器Eschemia绘制了一个原理图。原理图如下所示。如上所述，电路分为2部分，电压升压电路和充电电路。

完成原理图后，我将文件导出到KiCad的PCB编辑器中。牢记所有的设计约束。我放置了所有的组件，并做了铜倾倒共同接地如下图所示。

检查完PCB连接后，我打印出了PCB，并使用铁盒将打印件印在铜板上。铜包层上的印记很好，因此我将PCB浸入氯化铁溶液中，并按要求在铜溶液上获得痕迹。

注意：当使用SMD组件时，请始终记住拍摄PCB打印的镜像，因为当您将打印从纸转移到覆层时，您将获得镜像打印

在检查走线的连接性后，我焊接了电路板上的所有组件，之后剩下的就是测试设置。您可以从给定的链接下载Gerber文件。

5V输入测试电路

为了测试电路，我连接了两个标称电压为3.7 V，容量为1200mAh的锂离子电池。两个电池串联时充电到7.55V。我连接了设备，充电灯开始发光。至于电源，我使用了苹果公司的10W充电器，用USB转DC插孔电缆连接。电池连接约50分钟后才完全充电，LED指示灯自动关闭，表明充电完成。

当我们测量流向电池组的电流时，它的最大值约为1A，大多数时候在100mA-500mA左右。在最大功率下，电池充电功率约为9W。

12V输入测试

当我们用12v充电器给充电器模块供电时，输出电压在8-10V左右，但输出的电流高达2.2安培，超过16W的功率。使用这种设置，电池在快速充电阶段可能会发热一点，但这不应该是一个问题，也不应该降低电池的寿命。

总结

这是一个非常简单但有效的电路，可以用于消费级产品。整个系统的尺寸可以有效地减小，但由于我们试图在内部制造它，我们没有将组件放置在彼此非常接近的位置。充电模块效率非常高，并具有许多功能，如电池预处理，这是在便宜的选择，这一功能补充过放电的电池在一个可控的方式，从而提高您的电池寿命。这种高度可定制的设计可以真正提高整体效率和健康的电池组。

本文编译自circuitdigest