锂电池的充电电路和保护电路设计方案

锂电池特性

首先，问一句简单的问题，为什么很多电池都是锂电池？

锂电池，工程师对它都不会感到陌生。在电子产品项目开发的过程中，尤其是遇到电池供电的类别项目，工程师就会和锂电池打交道。

这是因为锂电池的电路特性决定的。

众所周知，锂原子在化学元素周期表中排在第三位，包含3个质子与3个电子，其中3个电子在锂原子核内部的分布对它的化学与物理特性起到决定性作用。

元素周期表

锂原子核外层的3个电子，只有最外层的1个电子是自由电子，另外2个电子不属于自由电子，也就是不参与锂原子的电子性能。

为什么会选用锂元素作为电池的材料呢？

这是因为，锂原子虽然最外层只有1个电子，但它的相对原子质量却仅仅只有7。换句话说，在相同的质量密度条件下，锂原子所带的电能是最多的。

以铝元素为例进行对比，可以直观的得出结论。

铝元素，在元素周期表排在13位，最外层自由移动的电子数是3，相对原子质量是27。也就是如果用质量为27的铝元素制造电池，它的电能是3。

如果用相同质量为27的锂元素制造电池，它的电能是27*（1/7），大约为3.86。

显然，在电能方面，锂元素的3.86是要超过铝元素的3。这就是为什么锂电池如此受欢迎的原因理论解释。

锂电池的充电电路

在了解完锂电池的基本电路特性后，工程师在开发带有锂电池供电的项目时，就会面临锂电池的充电电路问题。

锂电池的电压为3.0V ~ 4.2V之间变化，也就是锂电池的最大电压为4.2V，最小电压为3.0V。最大电压与最小电压，对于锂电池而言，隐藏着什么电路含义呢？

单节锂电池

最大电压是4.2V，也就是锂电池两端能承受的极限电压不超过4.2V；最小电压为3.0V，也就是锂电池两端的极限放电电压不低于3.0V；换言之，它的另外一层电路意义是锂电池在接收外界的充电电路充电，它的最后充电电压不能高于4.2V；锂电池在向外界负载提供工作电源，它最后消耗的电压会停留在3.0V。

基于此，如果工程师将常用的5V/1A或者5V/2A规格的充电器，对锂电池进行直接充电，这样是否可以呢？

充电器

显然是不行的。为什么呢？

因为无论是5V/1A或者5V/2A规格的充电器，对外输出的充电电压均为5V，超过了锂电池最大的承受电压4.2V。

针对这两个电压不匹配兼容的问题，该如何去解决呢？在不改变充电器5V/1A和5V/2A规格的条件下，工程师应当如何去实现呢？

常用的电路解决方案是TP4054充电管理芯片。

TP4054充电管理芯片，是一款适合单节锂电池的充电管理芯片，属于恒压恒流的线性充电类型，充电电压固定于4.2V，充电电流最大支持800mA，并且自身的待机消耗电流只有2uA。

TP4054应用电路图

在TP4054充电管理芯片应用电路图中，工程师可以很清楚地观察到，整个电路设计的方案非常简洁，外围电路只有几个电阻电容和LED灯，省去了外置的MOS管，与此同时也节约了设计的BOM表成本。

Pin 1引脚CHRG：TP4054芯片的充电状态指示功能。在充电的过程中，连接的LED为亮，充电充满的时候，连接的LED为灭；

Pin 2引脚GND：TP4054芯片的参考地，属于电路的公共端；

Pin 3引脚BAT：TP4054芯片的充电输出端，直接连接到单节锂电池的正极；

Pin 4引脚VCC：TP4054芯片的电源输入端，也是单节锂电池的充电输入接口，电压工作范围为4.5V~6.5V，正好满足5V/1A和5V/2A规格的充电器输出电压；

Pin 5引脚PROG：TP4054芯片的充电电流设置功能，选择不同的阻值R1，就可以设定不同的充电电流I；

具体的对应关系为

（1）在充电电流I 设定不大于0.15A时，R1 = 1000 / I；

（2）在充电电流I 设定大于0.15A时，R1 = 1000 / I *（1.2- 4 * I /3）；

举例说明，当充电的电流设定为0.1A，R1电阻的阻值就被选定为了 10K；当充电的电流设定为0.5A，R1电阻的阻值就被选定为了 1K；

至此，是不是以为TP4054芯片的电路解决方案，很完美地解决了单节锂电池充电的问题了。它不仅完成了锂电池的充电功能，还拥有充电状态指示灯功能，并且还可以设定充电的电流大小。

No，No，No......

在实际开发电路项目的过程中，发现TP4054芯片，它不具有在锂电池充满的时候自动断电功能；没有自动断电功能，引发的后果是在没有被切断充电器的电源时，锂电池是一直被TP4054芯片在充电的。

这也是TP4054芯片的一个小小的不足之处。

TP4054芯片之所以有充电LED指示功能，就是用LED亮灭的变换提醒用户，该手动切断电源了，不然就是一直在充电哦。