野外便携式高频止血器锂离子电池充电电路的设计应用

朱兴喜史兆荣*汤黎明张 征王星星戚仕涛吴 敏李 治

野外便携式高频止血器锂离子电池充电电路的设计应用

朱兴喜①史兆荣①*汤黎明①张 征②王星星①戚仕涛①吴 敏①李 治①

目的：解决野外便携式高频止血器在无市电情况下为锂离子电池充电的方案和应用。方法：采用汽车24 V电瓶提供充电电源，使用CN3704(D/D电源转换)脉宽调制集成块为锂离子电池充电。结果：能提供电流4～8 A，电压为16.8 V的充电能力，并具有涓流、恒流和恒压充电效果。结论：对使用容量为4000 mAh/节、电压3.7 V/节，由8节组成2并联4串联电池组的锂离子电池提供4 A以上的电流充电，2 h左右可充电完毕。

CN3704；脉宽调制；锂离子电池；充电电路

1 设计原理

1.1 锂离子电池特性

锂离子电池轻薄短小且容量大，其阴极材料为碳类(如石墨晶体)，阳极材料氧化钴锂(通常为二氧化钴锂)。在充放电反应中，锂始终以离子形态出现，电池因此而得名为锂离子电池。锂离子电池与镍氢/镍镉电池相比有以下优点：①单体电池工作电压一般为3.6～3.7 V，是镍氢/镍镉电池的3倍；②在容量相同的情况下，体积可减少30%，重量可降低50%；③寿命可达1200次以上；④允许工作温度范围很宽，约－20～＋60 ℃；⑤可大电流充电，随意并联使用；⑥自放电率低，无污染。但单体锂离子电池的充电电压要求严格，必须严格保持在(4.2±0.05) V，若超过4.5 V可造成电池永久性损坏。其放电电压不得低于2.1 V，否则也将造成永久性损坏。因此为锂电池充电要充分考虑电压的控制，防止过充。放电也要加以限制，既要有锂电池短路保护，又要抑制使用锂电池造成电压过低[2-4]。

1.2 充电电路的设计

由于锂离子电池对充电比较苛刻，比蓄电池、镍氢/镍镉电池的充电控制要严格的多，因此在电路设计上要考虑：①对深度放电的锂离子电池要涓流充电；②在正常情况下应先恒流充电然后再恒压充电，防止过充；③在电压低于某一值时应能自动充电，防止过放；④电池充电达到一定值时要结束充电；⑤电流放电过大要保护电池，防止过流；⑥要有电源指示、充电指示和充满指示；⑦尽量缩小空间和使用精小元器件，减少体积和重量[5]。

1.2.1 电池的参数选择和编排

鉴于便携式高频止血器的功率在60～70 W，野外应急使用电源在1～2 h的连续工作，就要考虑锂离子电池的参数选择和编排。锂离子电池一般标称电压为3.7 V，为了达到十几伏电压，采用4节串联，容量考虑要大一点，选用4000 mAh，具体参数见表1。

偌提供60～70 W的功率，在标准放电和快速放电之间的电流大小范围需要2节并联，由8节组成2并联4串联的电池组，实现端电压为12.8～16.8 V，容量为8000 mAh。若以70 W计算，电流至少提供5.5～4.1 A，对于电池放电在0.5～1 CtA范围是完全符合的(如图1所示)。电池组的净重量为680 g，体积＜53 mm×53 mm×131 mm，与同容量伏安的铅酸电池相比，重量只有其1/3，体积也只有其1/2，且具有无记忆充电和多次充电能力。

图1 不同倍率放电电流性能图

表1 锂电池基本特性

1.2.2 充电电路的设计

充电电路主要由CN3704脉宽调制集成块和其他元器件完成。CN3704是脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)降压模式4节锂电池充电管理集成电路，独立对4节锂电池充电进行自动管理，具有封装外形小，外围元器件少和使用简单等优点。CN3704具有恒流和恒压充电模式，非常适合锂电池的充电。在恒压充电模式，CN3704将电池电压调制在16.8 V，精度为±1%；在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。对于深度放电的锂电池，当电池电压低于11.2 V时，CN3704用所设置的恒流充电电流的15%对电池进行涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到外部电阻所设置的值时，充电结束。在充电结束状态，如果电池电压下降到16 V时，自动开始新的充电周期。当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时，CN3704自动进入低功耗的睡眠模式。其他功能包括输入低电压锁存，电池温度监测，电池端过压保护和充电状态指示等。其主要特点有：①宽输入电压范围：7.5～28 V；②对4节锂电池完整的充电管理；③充电电流达5 A，最大可到8 A；④PWM开关频率：300 kHz；⑤恒压充电电压精度：±1%；⑥恒流充电电流由外部电阻设置；⑦对深度放电的电池进行涓流充电；⑧充电结束电流可由外部电阻设置；⑨电池温度监测功能；⑩自动再充电功能；充电状态和充电结束状态指示；软启动功能；电池端过压保护；工作环境温度：－40℃～＋85℃；采用16管脚窄间距小外型塑封(shrink small-outline package, SSOP)封装；产品无铅，无卤素元素，满足RoHS(《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》Restriction of hazardous substances)[6]。充电电路设计如图2所示。

电瓶输出电压为24 V，经过D0和F(保险丝)输入到充电电路，当VCC管脚电压大于低压锁存阈值，并且大于电池电压时，充电器正常工作，DRV驱动M1对电池充电。如果电池电压＜11.2 V，充电器自动进入涓流充电模式，此时充电电流为所设置的恒流充电电流的5%。当电池电压＞11.2 V，充电器进入恒流充电模式，此时充电电流由内部的200 mV基准电压和一个外部电阻RCS设置，即充电电流为200 mV/RCS。当电池电压继续上升接近恒压充电电压时，充电器进入恒压充电模式，充电电流逐渐减小(如图3所示)。当充电电流减小到EOC管脚电阻设置的值时，充电结束，DRV管脚输出高电平。漏极开路输出管脚内部的晶体管关断，输出为高阻态；另一个漏极开路输出管脚内部的晶体管接通，输出低电平，以指示充电结束状态。充电时D4亮，充电结束时D3亮，便于观察。在充电结束状态，如果断开输入电源，再重新接入，将开始一个新的充电周期，如果电池电压下降到再充电阈值16 V，那么也将自动开始新的充电周期。当输入电压掉电时，CN3704自动进入睡眠模式，内部电路被关断，这样可以减少电池的电流消耗，延长待机时间。

图2 充电电路

图3 充电过程示意图

为了监测电池温度，需要在TEMP管脚和GND管脚之间连接一个10 kΩ的负温度系数的热敏电阻。如果电池温度超出正常范围，充电过程将被暂停，直到电池温度回复到正常温度范围内为止。CN3704内部还有一个过压比较器，当BAT管脚电压由于负载变化或者突然移走电池等原因而上升时，如果BAT管脚电压上升到恒压充电电压的1.08倍时，过压比较器动作，关断片外的P沟道MOS场效应晶体管，充电器暂时停止，直到BAT管脚电压回复到恒压充电电压或以下。在某些情况下，比如在电池没有连接到充电器上，或者电池突然断开，BAT管脚的电压可能会达到过压保护阈值。CN3704的引脚功能见表2。

表2 CN3704的引脚功能表

1.2.3 元器件参数的设定

CN3704的DRV管脚用于驱动片外PMOS场效应晶体管的栅极，该管脚能够提供比较大的瞬态电流以快速接通和关断片外MOS场效应晶体管。在驱动2 nF的负载情况下，上升时间和下降时间典型值为40 nS。一般来讲，一个导通电阻为50 mΩ的MOS场效应晶体管的等效电容大约为2 nF。CN3704内部有钳位电路，以保证DRV管脚的低电平比VCC管脚的电压低8 V(最大值)。比如，假设VCC的电压为24 V，那么DRV管脚的低电平最小为16 V。这样，一些具有极低导通电阻的低压P沟道MOS场效应晶体管可以与CN3704配合使用，从而提高了充电器的工作效率。为了保证电流调制回路和电压调制回路的稳定性，需要下面的回路补偿元件：①从COM1管脚到地之间接一个C3=470 pF的电容；②从COM2到地之间串联连接一个R4=120 Ω的电阻和一个C4=220 nF的瓷片电容；③从COM3到地之间连接一个C2=100 nF的瓷片电容。

如果设定充电电流为4 A，则根据I=200 mV/ Rcs，得到Rcs=0.05 Ω。在正常工作时，瞬态电感电流是周期性变化的。在P沟道MOS场效应晶体管导通期间，输入电压对电感充电，电感电流增加；在P沟道MOS场效应晶体管关断期间，电感向电池放电，电感电流减小。电感的纹波电流随着电感值的减小而增大，随着输入电压的增大而增大。较大的电感纹波电流会导致较大的纹波充电电流和磁损耗。所以电感的纹波电流应该被限制在一个合理的范围内。

电感的纹波电流可由公式(1)估算：

其中：f是开关频率，300 kHz；L是电感值；VBAT电池电压；VCC是输入电压。

将VCC=24 V，△IL=0.4 I(一般标准)，VBAT=16.8 V，代入上公式(1)计算可得电感L=10.5 μH。

R3(Rext)是充电结束电流设置电阻，在恒压充电模式，充电电流逐渐减小，当充电电流减小到EOC管脚的电阻所设置的电流时，充电结束。充电结束电流由公式(2)决定：

其中：IEOC充电结束电流，单位为A。Rext是从EOC管脚到地之间连接的电阻，单位为Ω。Rext的电阻值不能大于100 kΩ，否则充电将不能正常结束。RCS是在CSP管脚和BAT管脚之间的充电电流检测电阻，单位为Ω。如果设置IEOC为600 mA(15%I，为涓流电流值)，RCS为0.05 Ω，代入公式(2)Rext约为9.124 kΩ，在此取R3=10 kΩ。

CN3704的应用电路需要使用一个P沟道MOS场效应晶体管M1。选择该PMOS场效应晶体管时应综合考虑转换效率，PMOS场效应晶体管功耗以及最高温度。在芯片内部，栅极驱动电压被钳位在6.5 V(典型值)，可以使用低开启电压的P沟道MOS场效应晶体管。所以需要留意该PMOS场效应晶体管的击穿电压BVDSS应大于最高输入电压。选择P沟道MOS场效应晶体管时需要考虑的因素包括导通电阻Rds(on)，栅极总电荷Qg，反向传导电容CRSS，输入电压和最大充电电流。PMOS场效应晶体管的最大功耗可以用公式(3)求得：

其中：Pd是MOS场效应晶体管的功耗；VBAT是电池的最高电压；VCC是最小输入电压；Rds(on)是P沟道场效应晶体管在室温(25℃)条件下的导通电阻；ICH是充电电流；dT是P沟道MOS场效应晶体管的实际温度与室温(25℃)的温度差。

从公式(3)可以看出，PMOS场效应晶体管最大功耗与电流、导通电阻有关外，还与输入电压、电池电压有关，其开关损耗随着输入电压的增加而增加。一般来讲，在输入电压＜20 V时，导通损耗大于开关损耗，应该优先考虑导通电阻比较小的PMOS场效应晶体管；在输入电压＞20 V时，开关损耗大于导通损耗，应该优先考虑反向传导电容CRSS比较小的PMOS场效应晶体管，CRSS可由公式CRSS=QGD/ΔVDS来估算。因我们选输入电压为24 V，因此PMOS管选用FDS9435。该PMOS(FDS9435)管VDSS=－30 V，VGSS=±25 V，ID=－5.3 A(脉冲最大电流－50 A)，PD=1.2 W，T=－55 ℃～＋175 ℃，CRSS =70 pF，符合要求。

图2中的二极管D1和D2均为肖特基二极管。这两个二极管通过电流能力至少要比充电电流大，且二极管的耐压要大于最高输入电压的要求。选用SR560肖特基二极管，耐压60 V，电流5 A，满足要求。

2 应用情况

依照图2的原理图购置元器件，制作PCB板，得到实验整体样板(如图4所示)。

表3 试验结果表

图4 充电电路实验样板图

经检查无误后，将充电装置进行上电测试。在输入端连接24 V电源，输出端连接2并4串锂离子电池组，在室内温度为20 ℃、湿度为35%的条件下，进行试验，结果见表3。

从表3可以看出，充电测量值与理论值比较接近，且在允许的范围内，符合对锂离子电池的充电要求。

3 总结

按照上述图2和参数设置购买元器件，为了保证CN3704能够正常工作和提高转换效率，在设计制作敷铜板(PCB)时，需要考虑下述问题。

(1)为了保证尽可能低的电磁辐射，D1和D2肖特基二极管，M1场效应晶体管，电感L和输入滤波电容C1的引线要尽量短。外部电源的输入电容C1正极到M1场效应晶体管的距离也要尽量短。

(2)在COM1，COM2和COM3管脚的回路补偿元件的接地端要接到CN3704的模拟地(GND)，这样可以避免开关噪声影响回路工作的稳定性。

(3)输出电容C6的接地端和输入电容C1的接地端要先接到同一块铜皮再返回系统的地端，或者将三者均连在同一块铜皮上。

(4)模拟GND和PGND接地要独自返回系统地。

(5)CN3704的GND管脚和PGND管脚也具有散热的功能，所以接地的铜皮面积要尽可能大。对于输入电压比较高或者片外P沟道MOS场效应晶体管的栅极电容比较大的情况，此点尤其重要。

(6)充电电流检测电阻RCS靠近电感的输出端，其放置方向要保证从芯片的CSP管脚和BAT管脚到RCS的连线尽可能比较短，太长的导线电阻也会影响工作时的充电电流的大小。CSP管脚和BAT管脚到RCS的连线要在同一层铜皮上，而且距离要尽可能小。

(7)为了保证充电电流检测精度，CSP管脚和BAT管脚引线路要直接连接到充电电流检测电阻上[7-8]。

该装置作为锂离子电池的充电电路非常实用，因为它可以做到快速充电，达到8 A电流，也可以小电流充电，只要更换几个外部元器件就可以实现。在部队机动情况下，利用汽车电瓶可以随时充电随时用[9-10]，另外还可以采用交流充电，此部分在此不作介绍。

[1]王晓媛,胡超,姚勇,等.一种用于无线尿失禁理疗仪的锂电池自动充电电路的设计[J].中国医疗器械杂志,2008,32(5):359-362.

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[8]张世真.ECG－8110型心电图机电源充电电路分析及故障检修[J].医疗设备信息,2003,18(11):68-69.

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[10]王星星,朱兴喜.野战太阳能充电器的设计[J].中国医学装备,2011,8(9):37-39.

Design and application of lithium ion battery charging circuit based on portable high- frequency hemostatic device

ZHU Xing-xi, SHI Zhao-rong, TANG Li-ming, et al

Objective: To solve lithium ion battery charging of portable high-frequency hemostatic device in the field outside situation without electricity. Methods: Using 24 v car battery current provides charging power and using CN3704(D/D power conversion) pulse width modulation of manifold blocks to charge the lithium ion battery. Results: This design can provide a charging capability of 4～8 A current and 16.8v votage. It also has the charging effect of maintenance current, constant current and constant pressure. Conclusion: Using eight sections battery whose capacity is 4000 mAh and 3.7 v every section to make up of a 2 parallel and 4 series lithium ion batteries.Charging this batteries with more than 4 A current,it will finish in two hours or less.

CN3704; Pulse width modulation; Lithium ion battery; Charging circuit

Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Command.

1672-8270(2012)08-0007-05

TH789

A

朱兴喜,男,(1963- ),硕士，高级工程师，教授。南京军区南京总医院医学工程科，中国医学装备协会理事会理事。从事医院医疗设备的管理、技术保障、质量控制、教学和科研工作，专业方向是临床医学工程。

2012-04-12

①南京军区南京总医院医学工程科 江苏 南京 210002

②南京军区联勤部卫生部 江苏 南京 210002

*通讯作者：shizhaorong@163.com

China Medical Equipment,2012,9(8):07-11.

便携式高频止血器结构简单、轻便、易操作，非常适用于野外携带，适宜部队野外训练或者突发事件用于应急救治止血。但在野外或应急使用过程中若用电条件受限制时，就需要应急电源，一般的应急(不间断电源uninterruptible power supply, UPS)电源整体体积较大，内部使用蓄电池其重量较重，不方便携带，同时UPS电源在蓄电池贮能耗尽时需要交流充电[1]，在无交流电时也不能工作。因此，针对便携式高频止血器，设计出一款新颖的锂离子电池充电电路，利用机动汽车电瓶提供充电电源，确保在应急时使用。