野外便攜式高頻止血器鋰離子電池充電電路的設計應用

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計應用

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電源轉換)脈寬調制集成塊為鋰離子電池充電。結果：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。結論：對使用容量為4000 mAh/節、電壓3.7 V/節，由8節組成2并聯4串聯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；脈寬調制；鋰離子電池；充電電路

1 設計原理

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)。在充放電反應中，鋰始終以離子形態出現，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點：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格，必須嚴格保持在(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，又要抑制使用鋰電池造成電壓過低[2-4]。

1.2 充電電路的設計

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格的多，因此在電路設計上要考慮：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能自動充電，防止過放；④電池充電達到一定值時要結束充電；⑤電流放電過大要保護電池，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，野外應急使用電源在1～2 h的連續工作，就要考慮鋰離子電池的參數選擇和編排。鋰離子電池一般標稱電壓為3.7 V，為了達到十幾伏電壓，采用4節串聯，容量考慮要大一點，選用4000 mAh，具體參數見表1。

偌提供60～70 W的功率，在標準放電和快速放電之間的電流大小范圍需要2節并聯，由8節組成2并聯4串聯的電池組，實現端電壓為12.8～16.8 V，容量為8000 mAh。若以70 W計算，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 充電電路的設計

充電電路主要由CN3704脈寬調制集成塊和其他元器件完成。CN3704是脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM)降壓模式4節鋰電池充電管理集成電路，獨立對4節鋰電池充電進行自動管理，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡單等優點。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置。對于深度放電的鋰電池，當電池電壓低于11.2 V時，CN3704用所設置的恒流充電電流的15%對電池進行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當充電電流降低到外部電阻所設置的值時，充電結束。在充電結束狀態，如果電池電壓下降到16 V時，自動開始新的充電周期。當輸入電源掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，CN3704自動進入低功耗的睡眠模式。其他功能包括輸入低電壓鎖存，電池溫度監測，電池端過壓保護和充電狀態指示等。其主要特點有：①寬輸入電壓范圍：7.5～28 V；②對4節鋰電池完整的充電管理；③充電電流達5 A，最大可到8 A；④PWM開關頻率：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置；⑦對深度放電的電池進行涓流充電；⑧充電結束電流可由外部電阻設置；⑨電池溫度監測功能；⑩自動再充電功能；充電狀態和充電結束狀態指示；軟啟動功能；電池端過壓保護；工作環境溫度：－40℃～＋85℃；采用16管腳窄間距小外型塑封(shrink small-outline package, SSOP)封裝；產品無鉛，無鹵素元素，滿足RoHS(《關于限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》Restriction of hazardous substances)[6]。充電電路設計如圖2所示。

電瓶輸出電壓為24 V，經過D0和F(保險絲)輸入到充電電路，當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驅動M1對電池充電。如果電池電壓＜11.2 V，充電器自動進入涓流充電模式，此時充電電流為所設置的恒流充電電流的5%。當電池電壓＞11.2 V，充電器進入恒流充電模式，此時充電電流由內部的200 mV基準電壓和一個外部電阻RCS設置，即充電電流為200 mV/RCS。當電池電壓繼續上升接近恒壓充電電壓時，充電器進入恒壓充電模式，充電電流逐漸減小(如圖3所示)。當充電電流減小到EOC管腳電阻設置的值時，充電結束，DRV管腳輸出高電平。漏極開路輸出管腳內部的晶體管關斷，輸出為高阻態；另一個漏極開路輸出管腳內部的晶體管接通，輸出低電平，以指示充電結束狀態。充電時D4亮，充電結束時D3亮，便于觀察。在充電結束狀態，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。當輸入電壓掉電時，CN3704自動進入睡眠模式，內部電路被關斷，這樣可以減少電池的電流消耗，延長待機時間。

圖2 充電電路

圖3 充電過程示意圖

為了監測電池溫度，需要在TEMP管腳和GND管腳之間連接一個10 kΩ的負溫度系數的熱敏電阻。如果電池溫度超出正常范圍，充電過程將被暫停，直到電池溫度回復到正常溫度范圍內為止。CN3704內部還有一個過壓比較器，當BAT管腳電壓由于負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，關斷片外的P溝道MOS場效應晶體管，充電器暫時停止，直到BAT管腳電壓回復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到過壓保護閾值。CN3704的引腳功能見表2。

表2 CN3704的引腳功能表

1.2.3 元器件參數的設定

CN3704的DRV管腳用于驅動片外PMOS場效應晶體管的柵極，該管腳能夠提供比較大的瞬態電流以快速接通和關斷片外MOS場效應晶體管。在驅動2 nF的負載情況下，上升時間和下降時間典型值為40 nS。一般來講，一個導通電阻為50 mΩ的MOS場效應晶體管的等效電容大約為2 nF。CN3704內部有鉗位電路，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，一些具有極低導通電阻的低壓P溝道MOS場效應晶體管可以與CN3704配合使用，從而提高了充電器的工作效率。為了保證電流調制回路和電壓調制回路的穩定性，需要下面的回路補償元件：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。

如果設定充電電流為4 A，則根據I=200 mV/ Rcs，得到Rcs=0.05 Ω。在正常工作時，瞬態電感電流是周期性變化的。在P溝道MOS場效應晶體管導通期間，輸入電壓對電感充電，電感電流增加；在P溝道MOS場效應晶體管關斷期間，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致較大的紋波充電電流和磁損耗。所以電感的紋波電流應該被限制在一個合理的范圍內。

電感的紋波電流可由公式(1)估算：

其中：f是開關頻率，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(一般標準)，VBAT=16.8 V，代入上公式(1)計算可得電感L=10.5 μH。

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

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

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

從公式(3)可以看出，PMOS場效應晶體管最大功耗與電流、導通電阻有關外，還與輸入電壓、電池電壓有關，其開關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，導通損耗大于開關損耗，應該優先考慮導通電阻比較小的PMOS場效應晶體管；在輸入電壓＞20 V時，開關損耗大于導通損耗，應該優先考慮反向傳導電容CRSS比較小的PMOS場效應晶體管，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PMOS(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 應用情況

依照圖2的原理圖購置元器件，制作PCB板，得到實驗整體樣板(如圖4所示)。

表3 試驗結果表

圖4 充電電路實驗樣板圖

經檢查無誤后，將充電裝置進行上電測試。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，在室內溫度為20 ℃、濕度為35%的條件下，進行試驗，結果見表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，符合對鋰離子電池的充電要求。

3 總結

按照上述圖2和參數設置購買元器件，為了保證CN3704能夠正常工作和提高轉換效率，在設計制作敷銅板(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場效應晶體管的距離也要盡量短。

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

(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接地要獨自返回系統地。

(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場效應晶體管的柵極電容比較大的情況，此點尤其重要。

(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用，因為它可以做到快速充電，達到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現。在部隊機動情況下，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計[J].中國醫療器械雜志,2008,32(5):359-362.

[2]陸海峰,宋海浪,鄔小枚,等.除顫器中充電電路設計與研究[J].生物醫學工程學進展,2008,29(02):67-70.

[3]曾細武,陳亞明,羅麗輝.便攜式醫學儀器中鋰離子電池充電電路設計[J].中國醫學物理學雜志,2003,20(1):46-48.

[4]張磊明.ECG-6511心電圖機充電電路故障分析[J].醫療設備信息,2002(4):71-72.

[5]荊西京,王健琪.用通用器件構成的儀用自動充電電路[J].醫療衛生裝備,2003,24(8):56-56.

[6]楊幫文.實用電池充電器與保護器電路集錦[M].北京:電子工業出版社,2000.

[7]金錫軍.西門子移動X線機充電電路原理和故障維修[J].中國醫療設備,2008,23(2):118-119.

[8]張世真.ECG－8110型心電圖機電源充電電路分析及故障檢修[J].醫療設備信息,2003,18(11):68-69.

[9]朱興喜,史兆榮,湯黎明,等.便攜高頻止血器應急電源電路的設計與應用[J].中國醫學裝備,2011,8(8):12-15.

[10]王星星,朱興喜.野戰太陽能充電器的設計[J].中國醫學裝備,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

朱興喜,男,(1963- ),碩士，高級工程師，教授。南京軍區南京總醫院醫學工程科，中國醫學裝備協會理事會理事。從事醫院醫療設備的管理、技術保障、質量控制、教學和科研工作，專業方向是臨床醫學工程。

2012-04-12

①南京軍區南京總醫院醫學工程科 江蘇 南京 210002

②南京軍區聯勤部衛生部 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構簡單、輕便、易操作，非常適用于野外攜帶，適宜部隊野外訓練或者突發事件用于應急救治止血。但在野外或應急使用過程中若用電條件受限制時，就需要應急電源，一般的應急(不間斷電源uninterruptible power supply, UPS)電源整體體積較大，內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，設計出一款新穎的鋰離子電池充電電路，利用機動汽車電瓶提供充電電源，確保在應急時使用。