朱興喜史兆榮*湯黎明張 征王星星戚仕濤吳 敏李 治

野外便攜式高頻止血器鋰離子電池充電電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用

朱興喜①史兆榮①*湯黎明①張 征②王星星①戚仕濤①吳 敏①李 治①

目的：解決野外便攜式高頻止血器在無市電情況下為鋰離子電池充電的方案和應(yīng)用。方法：采用汽車24 V電瓶提供充電電源，使用CN3704(D/D電源轉(zhuǎn)換)脈寬調(diào)制集成塊為鋰離子電池充電。結(jié)果：能提供電流4～8 A，電壓為16.8 V的充電能力，并具有涓流、恒流和恒壓充電效果。結(jié)論：對使用容量為4000 mAh/節(jié)、電壓3.7 V/節(jié)，由8節(jié)組成2并聯(lián)4串聯(lián)電池組的鋰離子電池提供4 A以上的電流充電，2 h左右可充電完畢。

CN3704；脈寬調(diào)制；鋰離子電池；充電電路

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 鋰離子電池特性

鋰離子電池輕薄短小且容量大，其陰極材料為碳類(如石墨晶體)，陽極材料氧化鈷鋰(通常為二氧化鈷鋰)。在充放電反應(yīng)中，鋰始終以離子形態(tài)出現(xiàn)，電池因此而得名為鋰離子電池。鋰離子電池與鎳氫/鎳鎘電池相比有以下優(yōu)點(diǎn)：①單體電池工作電壓一般為3.6～3.7 V，是鎳氫/鎳鎘電池的3倍；②在容量相同的情況下，體積可減少30%，重量可降低50%；③壽命可達(dá)1200次以上；④允許工作溫度范圍很寬，約－20～＋60 ℃；⑤可大電流充電，隨意并聯(lián)使用；⑥自放電率低，無污染。但單體鋰離子電池的充電電壓要求嚴(yán)格，必須嚴(yán)格保持在(4.2±0.05) V，若超過4.5 V可造成電池永久性損壞。其放電電壓不得低于2.1 V，否則也將造成永久性損壞。因此為鋰電池充電要充分考慮電壓的控制，防止過充。放電也要加以限制，既要有鋰電池短路保護(hù)，又要抑制使用鋰電池造成電壓過低[2-4]。

1.2 充電電路的設(shè)計(jì)

由于鋰離子電池對充電比較苛刻，比蓄電池、鎳氫/鎳鎘電池的充電控制要嚴(yán)格的多，因此在電路設(shè)計(jì)上要考慮：①對深度放電的鋰離子電池要涓流充電；②在正常情況下應(yīng)先恒流充電然后再恒壓充電，防止過充；③在電壓低于某一值時應(yīng)能自動充電，防止過放；④電池充電達(dá)到一定值時要結(jié)束充電；⑤電流放電過大要保護(hù)電池，防止過流；⑥要有電源指示、充電指示和充滿指示；⑦盡量縮小空間和使用精小元器件，減少體積和重量[5]。

1.2.1 電池的參數(shù)選擇和編排

鑒于便攜式高頻止血器的功率在60～70 W，野外應(yīng)急使用電源在1～2 h的連續(xù)工作，就要考慮鋰離子電池的參數(shù)選擇和編排。鋰離子電池一般標(biāo)稱電壓為3.7 V，為了達(dá)到十幾伏電壓，采用4節(jié)串聯(lián)，容量考慮要大一點(diǎn)，選用4000 mAh，具體參數(shù)見表1。

偌提供60～70 W的功率，在標(biāo)準(zhǔn)放電和快速放電之間的電流大小范圍需要2節(jié)并聯(lián)，由8節(jié)組成2并聯(lián)4串聯(lián)的電池組，實(shí)現(xiàn)端電壓為12.8～16.8 V，容量為8000 mAh。若以70 W計(jì)算，電流至少提供5.5～4.1 A，對于電池放電在0.5～1 CtA范圍是完全符合的(如圖1所示)。電池組的凈重量為680 g，體積＜53 mm×53 mm×131 mm，與同容量伏安的鉛酸電池相比，重量只有其1/3，體積也只有其1/2，且具有無記憶充電和多次充電能力。

圖1 不同倍率放電電流性能圖

表1 鋰電池基本特性

1.2.2 充電電路的設(shè)計(jì)

充電電路主要由CN3704脈寬調(diào)制集成塊和其他元器件完成。CN3704是脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)降壓模式4節(jié)鋰電池充電管理集成電路，獨(dú)立對4節(jié)鋰電池充電進(jìn)行自動管理，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。CN3704具有恒流和恒壓充電模式，非常適合鋰電池的充電。在恒壓充電模式，CN3704將電池電壓調(diào)制在16.8 V，精度為±1%；在恒流充電模式，充電電流通過一個外部電阻設(shè)置。對于深度放電的鋰電池，當(dāng)電池電壓低于11.2 V時，CN3704用所設(shè)置的恒流充電電流的15%對電池進(jìn)行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流降低到外部電阻所設(shè)置的值時，充電結(jié)束。在充電結(jié)束狀態(tài)，如果電池電壓下降到16 V時，自動開始新的充電周期。當(dāng)輸入電源掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，CN3704自動進(jìn)入低功耗的睡眠模式。其他功能包括輸入低電壓鎖存，電池溫度監(jiān)測，電池端過壓保護(hù)和充電狀態(tài)指示等。其主要特點(diǎn)有：①寬輸入電壓范圍：7.5～28 V；②對4節(jié)鋰電池完整的充電管理；③充電電流達(dá)5 A，最大可到8 A；④PWM開關(guān)頻率：300 kHz；⑤恒壓充電電壓精度：±1%；⑥恒流充電電流由外部電阻設(shè)置；⑦對深度放電的電池進(jìn)行涓流充電；⑧充電結(jié)束電流可由外部電阻設(shè)置；⑨電池溫度監(jiān)測功能；⑩自動再充電功能；充電狀態(tài)和充電結(jié)束狀態(tài)指示；軟啟動功能；電池端過壓保護(hù)；工作環(huán)境溫度：－40℃～＋85℃；采用16管腳窄間距小外型塑封(shrink small-outline package, SSOP)封裝；產(chǎn)品無鉛，無鹵素元素，滿足RoHS(《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》Restriction of hazardous substances)[6]。充電電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

電瓶輸出電壓為24 V，經(jīng)過D0和F(保險絲)輸入到充電電路，當(dāng)VCC管腳電壓大于低壓鎖存閾值，并且大于電池電壓時，充電器正常工作，DRV驅(qū)動M1對電池充電。如果電池電壓＜11.2 V，充電器自動進(jìn)入涓流充電模式，此時充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的5%。當(dāng)電池電壓＞11.2 V，充電器進(jìn)入恒流充電模式，此時充電電流由內(nèi)部的200 mV基準(zhǔn)電壓和一個外部電阻RCS設(shè)置，即充電電流為200 mV/RCS。當(dāng)電池電壓繼續(xù)上升接近恒壓充電電壓時，充電器進(jìn)入恒壓充電模式，充電電流逐漸減小(如圖3所示)。當(dāng)充電電流減小到EOC管腳電阻設(shè)置的值時，充電結(jié)束，DRV管腳輸出高電平。漏極開路輸出管腳內(nèi)部的晶體管關(guān)斷，輸出為高阻態(tài)；另一個漏極開路輸出管腳內(nèi)部的晶體管接通，輸出低電平，以指示充電結(jié)束狀態(tài)。充電時D4亮，充電結(jié)束時D3亮，便于觀察。在充電結(jié)束狀態(tài)，如果斷開輸入電源，再重新接入，將開始一個新的充電周期，如果電池電壓下降到再充電閾值16 V，那么也將自動開始新的充電周期。當(dāng)輸入電壓掉電時，CN3704自動進(jìn)入睡眠模式，內(nèi)部電路被關(guān)斷，這樣可以減少電池的電流消耗，延長待機(jī)時間。

圖2 充電電路

圖3 充電過程示意圖

為了監(jiān)測電池溫度，需要在TEMP管腳和GND管腳之間連接一個10 kΩ的負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。如果電池溫度超出正常范圍，充電過程將被暫停，直到電池溫度回復(fù)到正常溫度范圍內(nèi)為止。CN3704內(nèi)部還有一個過壓比較器，當(dāng)BAT管腳電壓由于負(fù)載變化或者突然移走電池等原因而上升時，如果BAT管腳電壓上升到恒壓充電電壓的1.08倍時，過壓比較器動作，關(guān)斷片外的P溝道MOS場效應(yīng)晶體管，充電器暫時停止，直到BAT管腳電壓回復(fù)到恒壓充電電壓或以下。在某些情況下，比如在電池沒有連接到充電器上，或者電池突然斷開，BAT管腳的電壓可能會達(dá)到過壓保護(hù)閾值。CN3704的引腳功能見表2。

表2 CN3704的引腳功能表

1.2.3 元器件參數(shù)的設(shè)定

CN3704的DRV管腳用于驅(qū)動片外PMOS場效應(yīng)晶體管的柵極，該管腳能夠提供比較大的瞬態(tài)電流以快速接通和關(guān)斷片外MOS場效應(yīng)晶體管。在驅(qū)動2 nF的負(fù)載情況下，上升時間和下降時間典型值為40 nS。一般來講，一個導(dǎo)通電阻為50 mΩ的MOS場效應(yīng)晶體管的等效電容大約為2 nF。CN3704內(nèi)部有鉗位電路，以保證DRV管腳的低電平比VCC管腳的電壓低8 V(最大值)。比如，假設(shè)VCC的電壓為24 V，那么DRV管腳的低電平最小為16 V。這樣，一些具有極低導(dǎo)通電阻的低壓P溝道MOS場效應(yīng)晶體管可以與CN3704配合使用，從而提高了充電器的工作效率。為了保證電流調(diào)制回路和電壓調(diào)制回路的穩(wěn)定性，需要下面的回路補(bǔ)償元件：①從COM1管腳到地之間接一個C3=470 pF的電容；②從COM2到地之間串聯(lián)連接一個R4=120 Ω的電阻和一個C4=220 nF的瓷片電容；③從COM3到地之間連接一個C2=100 nF的瓷片電容。

如果設(shè)定充電電流為4 A，則根據(jù)I=200 mV/ Rcs，得到Rcs=0.05 Ω。在正常工作時，瞬態(tài)電感電流是周期性變化的。在P溝道MOS場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通期間，輸入電壓對電感充電，電感電流增加；在P溝道MOS場效應(yīng)晶體管關(guān)斷期間，電感向電池放電，電感電流減小。電感的紋波電流隨著電感值的減小而增大，隨著輸入電壓的增大而增大。較大的電感紋波電流會導(dǎo)致較大的紋波充電電流和磁損耗。所以電感的紋波電流應(yīng)該被限制在一個合理的范圍內(nèi)。

電感的紋波電流可由公式(1)估算：

其中：f是開關(guān)頻率，300 kHz；L是電感值；VBAT電池電壓；VCC是輸入電壓。

將VCC=24 V，△IL=0.4 I(一般標(biāo)準(zhǔn))，VBAT=16.8 V，代入上公式(1)計(jì)算可得電感L=10.5 μH。

R3(Rext)是充電結(jié)束電流設(shè)置電阻，在恒壓充電模式，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流減小到EOC管腳的電阻所設(shè)置的電流時，充電結(jié)束。充電結(jié)束電流由公式(2)決定：

其中：IEOC充電結(jié)束電流，單位為A。Rext是從EOC管腳到地之間連接的電阻，單位為Ω。Rext的電阻值不能大于100 kΩ，否則充電將不能正常結(jié)束。RCS是在CSP管腳和BAT管腳之間的充電電流檢測電阻，單位為Ω。如果設(shè)置IEOC為600 mA(15%I，為涓流電流值)，RCS為0.05 Ω，代入公式(2)Rext約為9.124 kΩ，在此取R3=10 kΩ。

CN3704的應(yīng)用電路需要使用一個P溝道MOS場效應(yīng)晶體管M1。選擇該P(yáng)MOS場效應(yīng)晶體管時應(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)換效率，PMOS場效應(yīng)晶體管功耗以及最高溫度。在芯片內(nèi)部，柵極驅(qū)動電壓被鉗位在6.5 V(典型值)，可以使用低開啟電壓的P溝道MOS場效應(yīng)晶體管。所以需要留意該P(yáng)MOS場效應(yīng)晶體管的擊穿電壓BVDSS應(yīng)大于最高輸入電壓。選擇P溝道MOS場效應(yīng)晶體管時需要考慮的因素包括導(dǎo)通電阻Rds(on)，柵極總電荷Qg，反向傳導(dǎo)電容CRSS，輸入電壓和最大充電電流。PMOS場效應(yīng)晶體管的最大功耗可以用公式(3)求得：

其中：Pd是MOS場效應(yīng)晶體管的功耗；VBAT是電池的最高電壓；VCC是最小輸入電壓；Rds(on)是P溝道場效應(yīng)晶體管在室溫(25℃)條件下的導(dǎo)通電阻；ICH是充電電流；dT是P溝道MOS場效應(yīng)晶體管的實(shí)際溫度與室溫(25℃)的溫度差。

從公式(3)可以看出，PMOS場效應(yīng)晶體管最大功耗與電流、導(dǎo)通電阻有關(guān)外，還與輸入電壓、電池電壓有關(guān)，其開關(guān)損耗隨著輸入電壓的增加而增加。一般來講，在輸入電壓＜20 V時，導(dǎo)通損耗大于開關(guān)損耗，應(yīng)該優(yōu)先考慮導(dǎo)通電阻比較小的PMOS場效應(yīng)晶體管；在輸入電壓＞20 V時，開關(guān)損耗大于導(dǎo)通損耗，應(yīng)該優(yōu)先考慮反向傳導(dǎo)電容CRSS比較小的PMOS場效應(yīng)晶體管，CRSS可由公式CRSS=QGD/ΔVDS來估算。因我們選輸入電壓為24 V，因此PMOS管選用FDS9435。該P(yáng)MOS(FDS9435)管VDSS=－30 V，VGSS=±25 V，ID=－5.3 A(脈沖最大電流－50 A)，PD=1.2 W，T=－55 ℃～＋175 ℃，CRSS =70 pF，符合要求。

圖2中的二極管D1和D2均為肖特基二極管。這兩個二極管通過電流能力至少要比充電電流大，且二極管的耐壓要大于最高輸入電壓的要求。選用SR560肖特基二極管，耐壓60 V，電流5 A，滿足要求。

2 應(yīng)用情況

依照圖2的原理圖購置元器件，制作PCB板，得到實(shí)驗(yàn)整體樣板(如圖4所示)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果表

圖4 充電電路實(shí)驗(yàn)樣板圖

經(jīng)檢查無誤后，將充電裝置進(jìn)行上電測試。在輸入端連接24 V電源，輸出端連接2并4串鋰離子電池組，在室內(nèi)溫度為20 ℃、濕度為35%的條件下，進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，充電測量值與理論值比較接近，且在允許的范圍內(nèi)，符合對鋰離子電池的充電要求。

3 總結(jié)

按照上述圖2和參數(shù)設(shè)置購買元器件，為了保證CN3704能夠正常工作和提高轉(zhuǎn)換效率，在設(shè)計(jì)制作敷銅板(PCB)時，需要考慮下述問題。

(1)為了保證盡可能低的電磁輻射，D1和D2肖特基二極管，M1場效應(yīng)晶體管，電感L和輸入濾波電容C1的引線要盡量短。外部電源的輸入電容C1正極到M1場效應(yīng)晶體管的距離也要盡量短。

(2)在COM1，COM2和COM3管腳的回路補(bǔ)償元件的接地端要接到CN3704的模擬地(GND)，這樣可以避免開關(guān)噪聲影響回路工作的穩(wěn)定性。

(3)輸出電容C6的接地端和輸入電容C1的接地端要先接到同一塊銅皮再返回系統(tǒng)的地端，或者將三者均連在同一塊銅皮上。

(4)模擬GND和PGND接地要獨(dú)自返回系統(tǒng)地。

(5)CN3704的GND管腳和PGND管腳也具有散熱的功能，所以接地的銅皮面積要盡可能大。對于輸入電壓比較高或者片外P溝道MOS場效應(yīng)晶體管的柵極電容比較大的情況，此點(diǎn)尤其重要。

(6)充電電流檢測電阻RCS靠近電感的輸出端，其放置方向要保證從芯片的CSP管腳和BAT管腳到RCS的連線盡可能比較短，太長的導(dǎo)線電阻也會影響工作時的充電電流的大小。CSP管腳和BAT管腳到RCS的連線要在同一層銅皮上，而且距離要盡可能小。

(7)為了保證充電電流檢測精度，CSP管腳和BAT管腳引線路要直接連接到充電電流檢測電阻上[7-8]。

該裝置作為鋰離子電池的充電電路非常實(shí)用，因?yàn)樗梢宰龅娇焖俪潆姡_(dá)到8 A電流，也可以小電流充電，只要更換幾個外部元器件就可以實(shí)現(xiàn)。在部隊(duì)機(jī)動情況下，利用汽車電瓶可以隨時充電隨時用[9-10]，另外還可以采用交流充電，此部分在此不作介紹。

[1]王曉媛,胡超,姚勇,等.一種用于無線尿失禁理療儀的鋰電池自動充電電路的設(shè)計(jì)[J].中國醫(yī)療器械雜志,2008,32(5):359-362.

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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

朱興喜,男,(1963- ),碩士，高級工程師，教授。南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，中國醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會理事會理事。從事醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備的管理、技術(shù)保障、質(zhì)量控制、教學(xué)和科研工作，專業(yè)方向是臨床醫(yī)學(xué)工程。

2012-04-12

①南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 江蘇 南京 210002

②南京軍區(qū)聯(lián)勤部衛(wèi)生部 江蘇 南京 210002

*通訊作者：shizhaorong@163.com

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

便攜式高頻止血器結(jié)構(gòu)簡單、輕便、易操作，非常適用于野外攜帶，適宜部隊(duì)野外訓(xùn)練或者突發(fā)事件用于應(yīng)急救治止血。但在野外或應(yīng)急使用過程中若用電條件受限制時，就需要應(yīng)急電源，一般的應(yīng)急(不間斷電源uninterruptible power supply, UPS)電源整體體積較大，內(nèi)部使用蓄電池其重量較重，不方便攜帶，同時UPS電源在蓄電池貯能耗盡時需要交流充電[1]，在無交流電時也不能工作。因此，針對便攜式高頻止血器，設(shè)計(jì)出一款新穎的鋰離子電池充電電路，利用機(jī)動汽車電瓶提供充電電源，確保在應(yīng)急時使用。