锂电池恒流充电电路设计*

李显圣　吴国广　覃贵盛



锂电池恒流充电电路设计*

李显圣1吴国广1覃贵盛2

（1.广西职业技术学院，广西 南宁，530226 ；2.广西明阳农垦生化科技有限公司，广西 南宁，530226）

该文讲述了一种锂电池恒流充电电路的设计方法。该电路主要实现的目标是：1.充电电流分50mA、100mA、200mA、500mA四档可调。2.电池过充保护。当电池组电压达到设定值时（如5.4V），充电自动结束。3.状态指示。充电进行时，用绿光发光管指示，充电结束时，用红光发光管指示。4.纯硬件电路完成。为了实现这电路的功能，设计时用到了三端集成稳压块、运算放大器、恒流源电路等。经制作表明，所设计电路的功能完全实现了预期目标。

三端集成稳压；运放；恒流源

前言

随着经济的发展，科技的进步，数码行业如雨后春笋般迅猛发展，市场上出现了越来越多的高科技数码产品，这些产品的正常工作都建立在电池有足够供电能力的基础上，尤其是锂电池成为了目前大容量电池的主要品种，已在通讯、交通、电力等部门得到广泛的应用，同时它也是其它智能仪表中最为常用的备用电池。适合的充电器，成为锂电池能够真正充电和延长使用寿命的关键因素。针对一般恒压充电器易损坏锂电池的不足，设计了一种纯硬件电路控制的恒流充电电路。

1 电路总体设计思路

锂电池自动恒流充电电路的总体框图如图1所示。它是由220V工频交流电、变压器及整流滤波电路、稳压电路、电流转换电路、恒流源产生电路、电压监测电路、防过充保护电路和指示电路构成。

图1电路总体设计框图

变压器、整流滤波电路将公共电网中的220V交流电转换为合适的低压直流电，经稳压电路提供稳定的工作电压。恒流产生电路的功能是利用运算放大器结合晶体管组成恒流源，产生恒定的充电电流；电流转换电路是利用串联电阻分压，通过改变恒流源的基准电压来实现不同电流档的转换；电压监测电路是应用运算放大器组成的减法器将电池两端的电压变化输出，例如当电池两端的电压为5.4V(即检测出电池两端的电压差为5.4V)时，将5.4V电压输出给下一级电路；防过充保护电路是利用电压比较器，将监测电路输出电压与设定电压相比较，当输出电压大于设定电压时，切断充电回路；指示电路是利用三极管的开关作用控制LED的亮灭，将电池的充电和充满状态显示出来。

2 电路设计

2.1恒流产生电路

图2 使用OP放大器与晶体管的恒流电路

由于运算放大器的“+”端所加的基准电压Vref与电阻R'两端的电压相等，Vref=UR'，所以IE由下式决定：

IE=Vref/R'

由此可以得出，只要Vref和R'的值固定，即可得到恒流源。图2的电路中使用了达林顿组合管的形式，具有精度高、能输出较大电流的作用。

在本设计中，电池即作为恒流源的负载，即电池充电的电流为IC=IE－IB≈IE。

2.2电流转换电路

为了实现电路设计要求，即充电电流分50mA、100mA、200mA、500mA四档可调，可通过改变基准电压Vref或改变R'两种方法实现。

2.2.1改变基准电压Vref法

假设R' = 10Ω,因为Vref = UR'，所以Vref = R'×IE = 10×IE；又因为IE1 = 50mA, IE2 = 100mA，IE3 = 200mA, IE4 = 500mA，所以Vref=0.5V、1V、2V、5V。利用电阻串联分压可以实现0.5V、1V、2V、5V电压的可调。本电路电压取10V，根据所需电压值计算出各档位所需的电阻值，电路设计如图3所示。

图3 档位选择电路

在设计时要注意晶体管及R'的功率，P=U×I,Pmax=5V×0.5A=2.5W。选择元件要选功率比电路的最大功率2.5W要大，以免元件发热过大而损坏。

2.2.2改变R'法

假设Vref=5V，根据IE=50mA、100mA、200mA、500mA，可得R'=100Ω、50Ω、25Ω、10Ω。这种方法同样可以实现电流的换挡，在本设计中采用的是改变基准电压Vref的方法。

2.3电压监测电路

图4电压检测电路

如图4所示电路，利用运放构成减法器电路，将电池正极的电压减去电池负极的电压，将差值放大后输出给后级电路。利用该电路，电池电压的变化即时送给下级电路，以便做出相应的判断，从而完成电池电压监测的目的。

放大倍数计算：若R1=R2，R3=R4

2.4防过充保护电路

图5防过充保护电路

如图5所示，电压监测电路输出电压Vout被送至电压比较器的同相输入端，反相输入端通过可调电阻RV调节输入电压，当Vout > Vb，比较器输出高电平，反之输出低电平。利用比较器的这个特点，将电池电压的变化与设定的电压进行比较，当达到设定的电压（如5.4V）时，比较器输出高电平，这时三极管Q1饱和导通，继电器RL1线圈获得足够大电流而动作，此时Vref=0V, 即恒流源的基准电压为0V，恒流源的输出电流为0A，即此时电池停止充电，完成电池过充保护。而当电池电压小于设定值（5.4V）时，比较器输出低电平，三极管Q1截止，继电器不动作，恒流源基准电压Vref=Vref0，即0.5V、1V、2V、5V，对应输出电流50mA、100mA、200mA、500mA。

2.5状态指示电路

图6 指示电路

如图6所示，当比较器输出高电平时，V1，V2为高电平，Q4导通，D1点亮，此时充电停止；当比较器输出低电平时，V1，V2为低电平，Q3导通，D2点亮，此时电池充电。

3 结束语

本电路的输出电流精度受基准电压、采样电压影响较大，在实际制作时应选择精度较高的元件。该设计电路简单，成本低廉，操作方便，响应速度快，充电电流四档可选，输出电流精度高，有防过充功能，可以有效保护锂电池，具有一定的应用价值。

[1]王伞.常用电路模块分析与设计指导(第2版) [M]. 北京：清华大学出版社，2013.

[2]冈村迪夫，OP放大电路设计[M].王玲，译.北京：科学出版社，2013.

[3]青木英彦. 模拟电路设计与制作[M].周南生，译. 北京：科学出版社，2005.

[4]（日）稻叶保. 模拟技术应用技巧101例[M]. 胡圣尧，译. 北京：科学出版社，2006.

A Design of Charging Circuit of Lithium Batteries with Constant Current

LI Xian-sheng1WU Guo-guang1QIN Gui-sheng2

(1.Guangxi Vocational and Technical College, Nanning, Guangxi 530226;2. Guangxi State Farms Mingyang Biochemical Group, INC, Nanning, Guangxi 530226)

Regarding the disadvantage that constant-voltage charging easily damages Lithium Batteries, this paper introduces a design of Charging Circuit of Lithium Batteries with Constant Current. The designed circuits makes it possible to realize the constant current charging with high degree of accuracy, and the charging flows can be selected with the protective function to prevent over-charging. It has been proved that the designed circuits can protect lithium batteries effectively.

lithium batteries; constant-current source

TM912

A

1674-3083（2016）04-0006-03

2016-07-18

2015年院立一般课题（自然科学B类），课题名称：基于GPS/GSM的通信基站防盗系统之研究（课题编号：151207）。

李显圣（1981-），男，广西南宁人，硕士，讲师。研究方向：智能电子技术，汽车电子技术。