使用MCP73844集成电路设计先进的2S锂离子/Li-Po电池充电系统

在这个项目中，我们将使用微芯片的MCP73844模块制作一个2S充电器模块。充电器能够获得2-12伏之间的电压，并以2S配置对锂离子电池和锂宝电池充电。该项目的目的是开发一种充电电路，可作为任何消费级项目的子系统。充电器模块可以与标准移动适配器或充电宝连接，也可以使用12伏充电器供电。我还将告诉你，我们如何使用相同的电路通过修改单个组件来为单个锂离子或Li-Po电池充电。在这个项目中，我将在家里设计和制造整个电路，从电路设计、PCB制造到SMD元件的焊接，一切都是在家里完成的。我们还将了解如何改变充电速率、散热和其他参数，以使电路适合不同的使用情况。我们以前做过不同的电池充电器对于不同的细胞化学或具有不同的特征，如果你对此感兴趣或想学习更多关于电池的信息，点击链接查看文章。

蓄电池充电器电路概述

如上所述，该电路可以接受2V至12V之间的任何电压，因此我们主要关注由所有手机充电器、充电宝甚至电脑USB端口提供的5V输入。该电路分为两部分。当使用5V输入时，第一步是将电压从5V升压，以便我们的充电器IC可以使用它。我们将此电压升压到12伏。升压后的电压被馈送到充电控制器电路中，充电控制器电路随后给出控制输出以对电池充电。

MCP73844线性电荷管理控制器

该系统的主要核心是充电器管理控制器IC。我用过微型芯片 麦西普73844为这个项目。该IC属于微芯片线性管理控制器系列MCP 7384倍其被专门设计用于低成本和空间有限的应用。这些高度先进的集成电路具有恒定电压（CV）和恒定电流与大多数低成本产品不同，（CC）充电技术具有电池预处理、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，您可以选择麦西普73841或MCP73842型MCP73843/MCP73844模块的应用电路如下所示。

图1锂离子电池充电器电路

我们IC的功能框图取自数据表，如下所示：

在上述功能框图中，THREF和THERM这两个引脚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，与我们使用的IC的8引脚MSOP包装不同。除了这2个引脚之外，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

充电器可高度定制，我们可以通过选择不同的无源元件来选择不同的充电速率、效率等。我们设计的充电电路适用于2S电池配置的最大2A/小时充电率。最大功率将通过将最大输出电压（Vout_max）与最大输出电流（Ioout_max）积分来给出。因此，功率将为16.8瓦。下面给出了我们IC的连接。

这里，R3电阻器充当分流电阻器。输出电流基于该分流电阻器公式的值，其值由R给出<sub>移走=伏_FSC公司/我_FSC公司

这里，R_移走是分流电阻器的值

五、_FSC公司=快速充电电压

我_FSC公司=快速充电电流

从上面的方程中，我们可以清楚地说，快速充电电流与分流电阻成反比，通过改变R3的值，我们可以获得所需的输出。

注意：

电阻器的值将改变此时的发热和功率损失，可以通过公式P=R*（I*I）计算

功率耗散= 100米W´1号一个^2 = 100毫瓦

因此，在决定快速收费率时，您必须考虑到这一点。

我们使用的MOSFET是P沟道MOSFET S19433BDY晶体管你可以用一个来代替这个费尔柴尔德™ NDS8434或IRF7404。

电池管理输入引脚（VDD）

VDD是一种输入电源，当VDD电源不存在时，它也可以防止电池耗尽，在低于特定电压阈值时进入断电模式，从而提高电池的寿命。

我们使用了肖特基二极管来防止反向电流流向升压电路。

热考虑因素

在选择组件时，您要么必须限制充电电流，要么必须增加铜焊盘尺寸，并包括多个过孔，以有效散热，从而实现更好、更持久的操作。在选择组件时，您必须进行设计权衡。

绝对最大额定值

直流电压--13.5伏

所有输入和输出w.r.t.---0.3至（VDD+0.3）V

DRV引脚处的电流——±4 mA

STAT1引脚处的电流——±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：

参数	评级
输入电源电压（VDD）	2伏至12伏
输出电源电压（Vout）	8.4伏
最大充电电流（ISS_Max）	2年
充电启动和停止阈值	8.45-8.90伏

制作1S充电器：

如果您想为1S电池或单个锂离子/Li-Po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仅具有用于温度测量的额外连接。其余电路将保持不变。

使用MT3608的升压电路

如上所述，我们的IC的工作电压在8.7V到12V之间，因此，为了使该系统与5V输入兼容，我们需要设计升压电路。考虑到这款充电器可以用于消费级产品，我们使用的IC是MT3608，它采用6引脚SOT23封装，具有热过载保护、欠压保护和限流功能，同时具有高效率。下面给出了基本的应用电路和效率曲线。

MT3608的技术数据：

IC的引脚图和每个引脚的功能如下所示-

MT3608的绝对最大额定值

IN、EN电压——-0.3V至26V

工作温度-40°C至+85°C

FB电压-0.3V至6V

接头温度-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集成电路能够接收低至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。示意图如下所示：

如何设置输出电压

我们的IC的内部参考电压为0.6V。可以通过改变电阻器RV1和R2的值来控制输出电压，电阻值由以下公式给出-

如果你愿意，你可以用一个50K欧姆的固定电阻器来代替这个壶，这将为你提供9.6V的恒定输出，这将适合我们的应用。

电感器值应介于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（MT3608外的工作频率）下具有较低的核心损耗和较低的DCR值。输入和输出电容器都应为22uC，并且应优先选择ESR值较低的陶瓷电容器。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该应用的良好选择。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，我们将使用额定电流为2Amps的肖特基二极管。

在PCB中放置组件时的一些重要考虑事项

• 输入和输出电容器应靠近IC放置。
• 主电流迹线应保持短而宽（至少20密耳）
• 一个通用的接地平面将有助于降低噪音，并起到散热器的作用。

设计此电路所需的组件包括：

电容器

• 2 x 22华氏度
• 2 x 10华氏度
• 1 x 0.1华氏度

二极管

• 2 x肖特基二极管
• 1个LED

集成电路

• 1个MCP73844
• 1个MT3608

电感器

• 1 x 20英寸高

电阻器

• 1个锅
• 1 x 3.3
• 1 x 100毫欧姆
• 1 x 1千克

MOSFET晶体管

• 1944亿美元

模块的设计和制造

选择所有组件后，我使用绘制了一个示意图KiCad的原理图编辑器Eschemia。示意图如下。如上所述，电路被分为两个部分，升压电路和充电器电路。

完成原理图后，我将该文件导出到KiCad的PCB编辑器中。牢记所有设计约束。如下图所示，我放置了所有的组件，并进行了一次公共接地铜浇注。

在检查了PCB连接后，我打印出了PCB，并用一个铁盒子将印刷品印在铜包层上。镀铜层上的印记很好，因此我将PCB浸入氯化铁溶液中，并根据需要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张转移到包层时，您将获得镜像打印。

在检查了迹线的连接后，我焊接了板上的所有组件，之后剩下的就是测试设置。您可以下载Gerber文件从给定的链接。

用5V输入测试电路

为了测试电路，我连接了2个标称电压为3.7V、容量为1200mAh的锂离子电池。串联时，两个电池都充电到7.55V。我连接了电源，充电灯开始发光。对于电源，我使用了苹果公司的10W充电器，并用USB到DC的桶形插孔电缆将其连接起来。电池在完全充电前连接了大约50分钟，LED指示灯自动熄灭，指示充电完成。

当我们测量流向电池组的电流时，它的最大值约为1A，大多数时候约为100mA-500mA。在最大功率下，电池以大约9W的功率充电。

使用12V输入进行测试

当我们用12伏充电器为充电器模块供电时，输出电压约为8-10V，但提供的电流高达2.2安培，即超过16W的功率。使用这种设置，电池可能会在快速充电阶段加热一点，但这应该不是问题，也不会降低电池的寿命。

最终裁决

这是一种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，但因为我们试图在内部制造，所以我们没有将组件放置得非常靠近。充电模块具有非常高的效率，并具有许多功能，如电池预处理，这在更便宜的选项中是不可用的，该功能以可控的方式补充过放电电池，从而提高电池的寿命。这种高度可定制的设计可以真正提高电池组的整体效率和健康度。