基于LTC4020的充電機設計

孫川+王春芳

摘 要：文章基于電源管理芯片LTC4020為24V24AH鋰電池組設計了一款充電機，其輸入電壓范圍為12V～55V直流電壓，輸出電流、電壓符合充電規律。同時設計了充電機的欠壓保護、過流保護以及軟啟動等功能電路。最后通過實驗對其進行了驗證。

關鍵詞：控制芯片LTC4020；升降壓斬波器；充電機；鋰電池

在設計充電機時，當電路輸入電壓在輸出電壓值（充電電壓）上下變動時，很難設計出高效率的充電機，一般采用多個DC/DC變換器來達到升降壓的目的。本文基于電源管理芯片LTC4020設計了一款充電機，其輸入電壓范圍為12V～55V直流電壓（和LTC4020輸入電壓范圍相同），輸出恒定電壓為24V。LTC4020有鋰電池和鉛酸蓄電池兩種充電模式，可實現輸入欠壓保護、電池過流和過放保護、電池溫度保護以及軟啟動等各類保護等功能，充電電流精度可達±5%，浮充電壓精度可達±0.5%。本設計采用鋰電池充電模式，進行了相關實驗驗證。

1 充電機電路原理

如圖1所示為充電機簡化電路，通過控制芯片LTC4020控制四個開關管輸出恒定電壓為電池充電。LTC4020芯片總共38個引腳，其中TG2、GB2、BG1、TG1引腳分別作為開關管A、B、C、D的驅動，根據輸入電壓的變化使電路工作在Buck或Boost模式下輸出恒定電壓，并在開關管A、B附近通過檢測電阻電壓控制電路電流，防止電流過大。由BGATE引腳控制開關管E對電池充電，當BAT引腳檢測電池電壓充滿時斷開BGATE引腳，并在開關管E附近實時檢測充電電流，防止過充。對主電路進行詳細分析如圖2所示。

圖2所示為LTC4020控制芯片的主電路，VIN為寬范圍輸入電壓12V～55V，開關管工作頻率為250kHz，VOUT經P構造開關管E為電池充電，同時為負載供電以便電池欠壓時也可正常工作。

主電路的工作原理如下：當輸入VIN高于VOUT時，此時充電電路工作于降壓（Buck）模式，開關管A（由TG1引腳驅動）和開關管B（由BG1引腳驅動）為PWM驅動以實現電能轉換。理想狀態下，開關管D（TG2引腳驅動）將持續導通而開關管C（由GB2引腳驅動）將保持斷開狀態，此時電路的工作狀態類似于Buck拓撲電路。但在實際中，開關管D需要通過自舉電路驅動導通，所以開關管C每個周期需導通150ns以更新驅動，為防止對地產生直通電流，開關管D在此時間內嚴禁導通，為此設計75ns死區時間保護電路。當VIN低于VOUT時，此時充電電路工作于升壓（Boost）模式，開關管C和D為PWM驅動以實現電能轉換。理想狀態下，開關管A將持續導通，而開關管B將保持斷開狀態，此時電路的工作狀態類似于Boost電路拓撲。但在實際中，開關管A同樣應用了一個自舉電路驅動導通，所以開關管B每個周期需導通100ns以更新驅動，為防止對地直通電流，設計75ns的死區時間。當VIN接近于輸出時，將會控制充電電路工作于四開關（Buck-Boost）模式，即控制四個開關管均為PWM驅動的工作狀態。

2 主電路參數計算

主電路中電感值選擇的主要標準是電感中所產生的紋波決定的，一旦電感值確定后，電感中的飽和電流必須大于等于電感中的尖峰電流。通過設計最大理想紋波電流（△IMAX）計算電感值（L），紋波電流的范圍一般是電感最大平均電流的0.2～0.5倍。當工作在降壓模式時，紋波電流隨著輸入電壓的增大而增大，當VOUT=VIN/2時，紋波電流達到最大值。當工作在升壓模式時，紋波電流隨著輸出電壓的增大而增大，當VIN=VOUT/2時，紋波電流達到最大值，所以應在最優方式下選擇電感。

電感的最小值與最大紋波電流和操作頻率的關系如下：

在降壓模式下，VIN取最大的可操作電壓，如果預期的輸出電壓范圍中包含VIN（MAX）/2，則把此值帶入VOUT，當VOUTVIN（MAX）/2時，VOUT取輸出電壓的最小值。

在升壓模式下，VOUT（MAX）取最大的輸出電壓，如果VIN范圍內包含VOUT（MAX）/2，則取VIN=VOUT（MAX）/2，如果VIN

3 實驗驗證

搭建了實驗樣機，采用18V輸入電壓，電感采用20uH，開關管工作頻率為250kHz，輸出恒定電壓24V，并為鋰電池（24V24AH）進行充電，充電曲線如圖3所示。首先檢測電池電壓，因電池電壓低于電池正常充電電壓最小值即20.4V，首先為電池涓流預充電，充電電流很小，約20分鐘后電池電壓達到標準充電要求，此時進入恒流充電，此階段電池電壓急速增加，當電池電壓接近飽和電壓時進入最后的恒壓充電，此階段為電池提供25.2V的恒定電壓，充電電流逐漸減小，4小時后充電電流接近為零，電池充滿。

4 結束語

本文基于LTC4020的控制芯片，為24V24AH的鋰電池組設計了一款充電機，該充電機的輸入電壓可在12V到55V直流之間變動。首先對芯片的外圍電路原理進行了分析，然后對參數進行了理論計算，最后通過實驗進行了驗證。實驗結果表明設計過程參數選擇基本合理，該充電機可工作于寬范圍的輸入電壓，較傳統采用多個DC/DC轉換器達到升降壓目的方法具有體積小、效率高等特點符合要求。

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