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    鋰電池充電芯片TP4056的保護電路設計
  • 鋰電池充電芯片TP4056的保護電路設計
  •   發布日期: 2022-10-15  瀏覽次數: 2,377

    TP4056是一款完整的單節鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。其底部帶有散熱片的SOP8封裝與較少的外部元件數目使得TP4056成為便攜式應用的理想選擇。TP4056可以適合USB電源和適配器電源工作。由于采用了內部PMOSFET架構,加上防倒充電路,所以不需要外部隔離二極管。熱反饋可對充電電流進行自動調節,以便在大功率操作或高環境溫度條件下對芯片溫度加以限制。充電電壓固定于4.2V,而充電電流可通過一個電阻器進行外部設置。當充電電流在達到最終浮充電壓之后降至設定值1/10時,TP4056將自動終止充電循環。當輸入電壓(交流適配器或USB電源)被拿掉時,TP4056自動進入一個低電流狀態,將電池漏電流降至2uA以下。TP4056在有電源時也可置于停機模式,以而將供電電流降至55uA。TP4056的其他特點包括電池溫度檢測、欠壓閉鎖、自動再充電和兩個用于指示充電、結束的LED狀態引腳。

    特點

    ·高達1000mA的可編程充電電流 ;

    ·無需MOSFET、檢測電阻器或隔離二極管 ;

    ·用于單節鋰離子電池、采用SOP封裝的完整線性充電器 ;

    ·恒定電流/恒定電壓操作,并具有可在無過熱危險的情況下實現充電速率最大化的熱調節功能;

    ·精度達到±1.5%的4.2V預設充電電壓;

    ·用于電池電量檢測的充電電流監控器輸出;

    ·自動再充電;

    ·充電狀態雙輸出、無電池和故障狀態顯示;

    ·C/10充電終止;

    ·待機模式下的供電電流為55uA;

    ·2.9V涓流充電器件版本;

    ·軟啟動限制了浪涌電流;

    ·電池溫度監測功能;

    ·采用8引腳SOP-PP封裝。

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    這個TP4056datasheet的原理圖還是有些不清楚的地方,所以分享下自己的原理圖。

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    見下:如何改變充電電流:大家可以看到原理圖上的R14,通過調節 這個電阻的大小,可以改變充電電流的大家。另附一張充電電流與R14的關系表給各位。

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    說幾點在設計時候的注意事項:

    1.TP4056的充電電流最好保持在電池容量的0.37C,也就是容量的0.37倍,比如1000mAh的電池,充電電流400mA這樣就夠了。過快的充電速度,將導致充電效果很差,沖完了電池電壓就掉很多。

    2.如果TP4056的輸入電壓過高,比如5.2甚至5.5V,會造成充電電流不足1000mAh,這是正常的。電壓高了,芯片發熱會自動減少充電電流,不至于燒毀芯片。

    3.另外,芯片在工作中60攝氏度左右的發熱是正常的,畢竟它的充電電流很大。(PS:如果有條件,可以采用8*8mm的鋁散熱片+3M導熱貼,增加芯片散熱。

    最后,在TP4056充電電路基礎上增加過充電過放電保護電路,更好地保護充電電池。

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    過充電保護:正常狀態下,對電池進行充電,如果使VDD端電壓升高超過過電壓充電保護閾值VOC,且持續時間超過過電壓充電保護延遲時間tOC,則DW01F將使充電控制端COUT由高電平轉為VM端電平(低電平),從而使外接充電控制N-MOS管Q1關閉,充電回路被“切斷”,即DW01F進入過電壓充電保護狀態。

    過放電保護:正常狀態下,如果電池放電使VDD端電壓降低至過電壓放電保護閾值VOD,且持續時間超過過電壓放電保護延遲時間tOD,則DW01F將使放電控制端DOUT由高電平轉為VSS端電平( 低電平),從而使外接放電控制N-MOS管Q2 關閉, 放電回路被“切斷”,即DW01F進入過電壓放電保護狀態。 同時,VM端電壓將通過內部電阻RVMD被上拉到VDD。

    過電流放電或電池短路保護:

    正常狀態下,通過負載對電池放電DW01F電路的VM端電壓將隨放電電流的增加而升高。如果放電電流增加使 VM 端電壓超過過電流放電保護閾值VOI1,且持續時間超過過電流放電保護延遲時間TOI1,則DW01F進入過電流放電保護狀態;如果放電電流進一步增加使VM 端電壓超過電池短路保護閾值VOI2,且持續時間超過短路延遲時間TOI2,則DW01F進入電池短路保護狀態。DW01F處于過電流放電/電池短路保護狀態時,DOUT端將由高電平轉為VSS端電平,從而使外接放電控制N-MOS管Q2關閉,放電回路被“切斷” ;同時,VM端將通過內部電阻RVMS連接到VSS,放電負載取消后,VM端電平即變為VSS端電平。與DW01FA相接的MOS管選用的是8205A,兩個N溝道MOS管。

    參考電路如下:

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    更詳細的解釋如下:

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    (1)正常放電

    該保護板的電路如圖7所示,當電芯電壓在2.5V~4.3V之間時,DW01的①、③腳均輸出高電平(等于供電電壓),②腳電壓為0V。此時8205A內的兩只N溝道場效應管Q1、Q2均處于導通狀態,由于8205A的導通電阻很小,相當于D、S極間直通,此時電芯的負極與保護電路的P-端相當于直接連通,保護電路有電壓輸出,其電流回路如下:B+→P+→負載。P-→8205A的②、③腳→8205A的①腳→8205A的⑧腳→8205A的⑥、⑦腳→B-。在此電路中,8205A內部場效應管Q1、Q2可等效為兩只開關,當Q1或Q2的G極電壓大于1V時,開關管導通,D、S間內阻很小(數十毫歐姆),相當于開關閉合;當G極電壓小于0.7V時,開關管截止,D、S極間的導通內阻很大(幾兆歐姆),相當于開關斷開。

    (2)過放電保護

    當電芯通過外接的負載進行放電時,電芯兩端的電壓將慢慢降低,同時DW01內部將通過電阻R1實時監測電芯電壓,當電芯電壓下降到2.3V(通常稱為過放保護電壓)時,DWO1認為電芯已處于過放電狀態,其①腳電壓變為0,8205A內Q1截止,此時電芯的B-與-之間處于斷開狀態,即電芯的放電回路被切斷,電芯將停止放電。進入過放電保護狀態后,電芯電壓會上升,若能上升到IC的門限電壓(一般為3.1V,通常稱為過放保護恢復電壓),DW0的①腳恢復輸出高電平,8205A內的Q1再次導通。

    (3)電池充電

    無論保護電路是否進入過放電狀態,只要給保護電路的P+與P-端間加上充電電壓,DW0經B一端檢測到充電電壓后,便立即從③腳輸出高電平,8205A內的Q2導通,即電芯的B-保護電路的P-通,充電器對電芯充電,其電流回路如下:充電器正極→p+→B+→B-、8205A的⑥、⑦腳→8205A的⑧腳→8205A的①腳→8205A的②、③腳→P-→充電器負極。

    (4)過充電保護

    充電時,當電池通過充電器正常充電時,隨著充電時間的增加,電芯兩端的電壓將逐漸升高,當電芯電壓升高到4.4V(通常稱為過充保護電壓)時,DW01將判斷電芯已處于過充電狀態,便立即使③腳電壓降為0V,8205A內的Q2因5腳為低電平而截止,此時電芯的B一極與保護電路的P-端之間處于斷開狀態并保持,即電芯的充電回路被切斷,停止充電。

    當保護電路的P+與P-端接上放電負載后,雖然Q2截止,但其內部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同,所以仍可對負載放電。當電芯兩端電壓低于4.3V(通常稱為過充保護恢復電壓)時,DW01將退出過充電保護狀態,③腳重新輸出高電平,Q2導通,即電芯的B-端與保護電路P-端又重新接上,電芯又能進行正常的充放電。

    (5)過流保護

    由于MOs開關管飽和導通時也存在內阻,所以有電流流過時MOs開關管的D、S極間就會產生壓降,保護控制IC會實時檢測MOs開關管D、S極的電壓,當電壓升到IC保護門限值(一般為0.15V,稱為放電過流檢測電壓)時,其放電保護執行端馬上輸出低電平,放電控制MOs開關管關斷,放電回路被斷開。

    在圖中,DW01通過接在V-端和VSS端之間的電阻R2實時檢測MOs開關管上的壓降。當負載電流增大時,Q1或Q2上的壓降也必然增大,當該壓降達到0.2V時,DWO1便判斷負載電流到達了極限值,于是其①腳電壓降為0V, 8205A內部的放電控制管Q1關閉,切斷電芯的放電回路。實現過電流保護。

    (6)過溫保護

    保護板上的T端口為過溫保護端,與用電器的CPU相連。常見的過溫保護電路較簡單,就是在T端與P-端接一只NTC電阻(圖中的R4),該電阻緊貼電芯安裝。當用電器長時間處于大功率工作狀態時(如手機長時間處于通話狀態),電芯溫度會上升,則NTC阻值會逐漸下降,用電器的CPU對NTC阻值進行檢測,當阻值下降到CPU設定閾值時,CPU立即發出關機指令,讓電池停止對其供電,只維持很小的待機電流,從而達到保護電池的目的。

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    提示:當保護板處于保護狀態時,可以短接B-、P-端來激活保護板,這時控制芯片的充、放電保護執行端(OC、OD)均會輸出高電平,讓MOs開關管導通。


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