同濟(jì)大學(xué) 梁陳婕

單節(jié)鋰電池線性充電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

同濟(jì)大學(xué) 梁陳婕

電源是任何電子產(chǎn)品不可缺少的一部分，在日常生活中具有廣泛的應(yīng)用。鋰離子電池作為電源的一種在重量，壽命，自放率，污染等方面比其他的電池有更大的優(yōu)勢(shì)，所以鋰離子電池得到了更廣泛的應(yīng)用與普及。此款充電器是一款完整的單節(jié)鋰離子電池，采用恒定電流/恒定電壓的線性充電方式。利用充電模式選擇比較器C3, 電流放大器CA實(shí)現(xiàn)涓流、恒流充電技術(shù)。在涓流充電中充電電壓升高至2．9V，充電電流達(dá)到設(shè)定值的1/10。在恒流充電過(guò)程中充電電壓升高至4．2V，充電電流可以達(dá)到1000mA。利用電壓放大器VA實(shí)現(xiàn)恒壓充電技術(shù)。在恒壓充電過(guò)程中，充電的電壓保持4．2V不變，充電電流不斷減小。當(dāng)充電電流下降到設(shè)定值的1/10時(shí)，充電完成。充電終止和再啟動(dòng)比較器C2實(shí)現(xiàn)充電終止和再啟動(dòng)功能。充電時(shí)C2用作充電終止功能，充電終止后充電終止后C2用作充電再啟動(dòng)功能。利用CHRG和DONE了解充電和充電終止的狀態(tài)。對(duì)整體電路的功能進(jìn)行Spectre仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

鋰離子電池充電器；恒流充電；恒壓充電；充電終止和再重啟

1 鋰電池發(fā)展的背景

電源是任何電子產(chǎn)品的依靠,產(chǎn)品性能的提高最主要靠電源管理技術(shù)的提高,所以電源又從另外一個(gè)方面來(lái)衡量一個(gè)產(chǎn)品的好壞。

目前可充電的電池主要有四類：鋰離子電池,鎳鎘電池,鎳氫電池、小密鉛電池。通過(guò)對(duì)這四種電池的比較,鋰離子電池具有污染少,體重輕,壽命長(zhǎng)等明顯的優(yōu)勢(shì),所以更多的人選擇鋰離子電池。鋰離子蓄電池1990年問(wèn)世以來(lái),得到了快速發(fā)展。鋰離子現(xiàn)己廣泛應(yīng)川于便攜式計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信等各領(lǐng)域。

2 充電器的介紹

本文設(shè)計(jì)了一款完整的單節(jié)鋰離子電池充電器。充電器采用恒定電流/恒定電壓的線性充電方式,在無(wú)過(guò)熱的情況下實(shí)現(xiàn)充電速率最大化的熱調(diào)節(jié)功能。此款充電器有高達(dá)1000mA的可編程充電電流,精度達(dá)到±1%的4.2V 預(yù)設(shè)充電電壓,在C/10時(shí)充電自動(dòng)終止,待機(jī)模式下的供電電流達(dá)到55uA。本充電器還可以檢測(cè)電池電量,監(jiān)控電池的溫度并且顯示充電狀態(tài)和故障。本充電器不會(huì)有浪涌電流出現(xiàn),設(shè)計(jì)中無(wú)需額外的MOSFET、檢測(cè)電阻器或隔離二極管,采用8引腳SOP8-P(SOP--Small Outline PackaGe)的封裝方式。

3 鋰離子電池充電器系統(tǒng)分析

3.1 鋰離子電池充電芯片

芯片通過(guò)對(duì)溫度輸入端的電壓與電源電壓比較來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。當(dāng)輸入的電壓在45%和80%之間時(shí)即滿足正常充電的條件。溫度監(jiān)控對(duì)電池的溫度進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)滿足芯片溫度大于145度時(shí),才會(huì)滿足正常的充電條件。欠壓閉鎖電路對(duì)電源電壓進(jìn)行監(jiān)控, 當(dāng)沒(méi)有出現(xiàn)欠壓閉鎖時(shí)才會(huì)滿足正常的充電條件。

上面的三個(gè)基本條件都滿足了,電路才開始正常工作。

充電器的充電周期包括：涓流充電,恒流充電,恒壓充電,充電終止和再啟動(dòng)。下面對(duì)充電器的充電狀態(tài)作具體分析。

3.2 涓流/恒流充電模塊的電路實(shí)現(xiàn)

3．2．1 涓流恒流充電技術(shù)

C3比較器有一個(gè)充電控制電壓,設(shè)定的充電控制電壓為2.9V。當(dāng)檢測(cè)到電池電位低于充電控制電壓2.9V時(shí),充電器選擇涓流充電模式。當(dāng)檢測(cè)到電池電壓大于2.9V后則自動(dòng)轉(zhuǎn)為恒流充電模式。

為了實(shí)現(xiàn)涓流/恒流充電技術(shù),需要充電模式選擇比較器C3和控制電流大小的電路模塊CA。C3通過(guò)與電池電壓電位比較高低來(lái)判斷充電是處于涓流還是恒流的充電模式。CA根據(jù)C3選擇的充電模式來(lái)控制功率PMOS管的柵極電位,并且按照相應(yīng)的模式來(lái)控制電池的電流。

圖1 涓流/恒流充電的整體模塊

3．2．2 涓流恒流充電模塊

當(dāng)電路處在涓流/恒流充電過(guò)程中,充電比較器C3,電流放大器CA組成充電循環(huán)。在涓流/恒流充電過(guò)程中, CA的正負(fù)端輸入電壓一直會(huì)保持匹配一致。

在涓流充電狀態(tài)中,C3輸出為低電平,CA的負(fù)端選擇0.1V的,CA的正端為0。正負(fù)端的差值變大,CA的輸出電壓會(huì)變大,流過(guò)PROG引腳的電流會(huì)迅速變大,使CA的正端電壓迅速變大到0.1V。CA正負(fù)端保持一致,CA輸出電壓不變。在涓流充電中,充電電流是設(shè)定電流得1/10。當(dāng)處于恒流充電狀態(tài)中,C3輸出為高電平,CA的負(fù)端選擇1V的電壓,CA的正端此時(shí)仍保持為0.1V。正負(fù)端的差值迅速變大,CA的輸出電壓也會(huì)變大,流過(guò)PROG引腳的電流會(huì)迅速變大,使CA的正端也變大到1V。此時(shí)CA正負(fù)端又會(huì)保持一致,CA輸出電壓不變。在恒流充電狀態(tài)中,充電電流保持設(shè)定值不變。

3.3 恒壓充電模塊的電路實(shí)現(xiàn)

3．3．1 恒壓充電技術(shù)

在恒壓狀態(tài)下,BAT引腳電壓達(dá)到最終浮充電壓,充電電流也開始減小。在恒壓充電狀態(tài)下,充電電壓保持不變。鋰離子電池充電器對(duì)輸出電壓有較高的精度,所以單節(jié)恒定充電電壓應(yīng)在規(guī)定值的+1%之間變化。

恒壓充電終止的方法是最小充電電流終止。在恒壓充電過(guò)程中,鋰離子電池的充電電流相應(yīng)的減小,當(dāng)充電電流減小到恒流充電電流的1/10時(shí),恒壓充電狀態(tài)自動(dòng)終止。

恒壓充電技術(shù)需要電壓放大器VA和終止比較器C2。VA是對(duì)接近滿充電電壓時(shí)控制充電電流相應(yīng)變小的電路模塊。當(dāng)充電電流下降到恒流充電電流的1/10時(shí),充電終止比較器C2起作用。C2除了用作終止比較器,還會(huì)在充電終止后功能轉(zhuǎn)換,檢測(cè)BAT引腳電位,產(chǎn)生再充電信號(hào)。

圖2 恒壓充電整體模塊

3．3．2 電壓放大器VA整體模塊實(shí)現(xiàn)

VA放大器的正端連著電池電壓的分壓,VA的負(fù)端連著參考電壓源。當(dāng)參考電壓源的電壓大于電池的分壓,工作在涓流/恒流工作狀態(tài)。

參考電壓源的電壓小于電池電壓的分壓時(shí),輸出的電壓變大。輸出電壓變大,加載在P2的電壓變大,所以流過(guò)P2的電流變小。同理流過(guò)R1,R2的電流都變小。流過(guò)VA正端的電壓變小,反過(guò)來(lái)抑制VA正端電壓的變大,使VA正端和負(fù)端保持匹配一致。

3.4 充電終止和再啟動(dòng)C2整體實(shí)現(xiàn)電路

C2連接了充電狀態(tài)指示器CHRG和DONE。充電狀態(tài)有：下拉,高阻態(tài)。

CHEG和DONE決定了充電的狀態(tài),C2的外圍電路如圖3所示。

圖3 C2充電外圍電路圖

當(dāng)涓流充電時(shí),反相器一端連著C2的輸出,C2輸出為低電平。另一段連著C3選擇器,C3選擇比較器輸出為低電平。兩個(gè)低電平通過(guò)一個(gè)與非門輸出為高電平,所以B點(diǎn)為高電平。B點(diǎn)為高電平,N2導(dǎo)通,CHRG管腳為低電平,充電指示燈亮起,充電器正常充電,此時(shí)的比較器為充電終止比較器。C2輸出為低電平,N1斷開,所以DONE管腳為高電平,DONE不起作用。

恒流充電狀態(tài)時(shí)。C3選擇比較器的輸出為高電平, C2的輸出為低電平。一個(gè)高電平與一個(gè)低電平通過(guò)一個(gè)與非門輸出為高電平,所以B點(diǎn)為高電平。CHRG 管腳為低電平,充電指示燈亮起,C2為充電終止比較器,且電池工作在恒流充電模式。

恒壓充電狀態(tài)中,切換到VA環(huán)路工作,CA環(huán)路不工作。C3的輸出固定為高電平。此狀態(tài)下C2的輸出為低電平。一個(gè)高電平與一個(gè)低電平通過(guò)一個(gè)與非門輸出為高電平。同上,充電指示燈亮起,充電器正常工作。

當(dāng)電池電壓接近浮充電壓時(shí),充電電流減小。當(dāng)充電電流小到設(shè)定值的1/10時(shí),充電終止。此時(shí)C2的輸出是高電平,C3的輸出固定為高電平。反相器的兩個(gè)輸入端都為高電平,所以與非門輸出為低電平,B點(diǎn)為低電平。B點(diǎn)為低電平,N2斷開,所以CHRG 管腳為高電平。充電指示燈熄滅,充電停止。C2的輸出為高電平,N1導(dǎo)通,DONE管腳為低電平,充電完成指示燈亮起。電路自動(dòng)切換成自動(dòng)再啟動(dòng)比較器。由于剛切換過(guò)來(lái),C2輸出為高電平,C2保持為自動(dòng)再充電比較器,充電器處于待機(jī)模式。

當(dāng)充電器的電壓下降到自動(dòng)重啟門限電壓時(shí)。此時(shí)C2的輸出是低電平,C3選擇比較器的輸出為高電平。一個(gè)高電平與一個(gè)低電平通過(guò)與非門的輸出為高電平,所以B點(diǎn)為高電平。B點(diǎn)為高電平,N2導(dǎo)通,CHRG 管腳為低電平,充電指示燈亮起,電路正常充電。C2輸出為低電平,N1斷開, DONE管腳為高電平,DONE不起作用。充電再次啟動(dòng)。此時(shí)C2又切換成充電終止比較器,充電循環(huán)再次開始。

4 仿真結(jié)果分析

本芯片的設(shè)計(jì)仿真采用CADENCE公司的SPECTRE進(jìn)行仿真。鋰離子電池充電器是一款數(shù)/模混合電路的芯片,本章首先對(duì)單元電路進(jìn)行仿真結(jié)果的分析然后對(duì)整個(gè)充電器電路作仿真并分析仿真結(jié)果。

4.1 充電系統(tǒng)的整體分析

外部引腳的電路的原理圖如圖4所示。

圖4 外圍引腳的電路原理圖

當(dāng)充電器向電池充電時(shí),CHRG管腳被內(nèi)部開關(guān)拉到低電平,表示充電正在進(jìn)行。當(dāng)不充電時(shí),CHRG管腳將處于高電平。在充電結(jié)束時(shí),Done管腳被內(nèi)部開關(guān)拉到低電平,充電結(jié)束。當(dāng)充電時(shí),DONE管腳處于高電平。

BAT連接正端電池到管腳。在芯片停機(jī)狀態(tài)或者睡眠狀態(tài)中,BAT管腳的漏電流小于2uA。在充電工作狀態(tài)中,BAT管腳向電池提供充電電流和4.2V的限制電壓。

圖5 仿真結(jié)果

PROG管腳連接一個(gè)外部電阻到地端可以對(duì)充電電流進(jìn)行編程。當(dāng)在預(yù)充電階段,PROG 管腳的電壓被調(diào)制在0.1V。當(dāng)在恒流充電模式下,PROG管腳的電壓被固定在1V。在充電的所有模式下,測(cè)量該管腳的電壓都可以根據(jù)下面的公式來(lái)估算充電電流：

PROG 管腳還可以用來(lái)關(guān)閉充電狀態(tài)。斷開連接地的電阻器并且允許一個(gè)3UA的電流使PROG管腳處于高阻狀態(tài),此時(shí)PROG引腳懸空。充電器會(huì)自動(dòng)進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài),充電停止并且充電電流下降到50ua。重新連接接地將會(huì)使充電器正常工作。

4.2 充電系統(tǒng)的整體仿真結(jié)果

對(duì)圖4的BAT,PROG引腳的電壓進(jìn)行仿真,對(duì)CHRG和DONE引腳的電壓進(jìn)行仿真,仿真的結(jié)果如圖5所示。

仿真的結(jié)果如圖5所示。

第一幅圖中有兩條曲線。上面的曲線代表BAT的電壓走勢(shì),BAT的電壓走勢(shì)代表了充電電壓的走勢(shì)。下面曲線代表PROG電壓變化狀態(tài)。涓流充電狀態(tài)時(shí),保持0.1V的電壓不變。根據(jù)曲線,M0～M1處于涓流充電狀態(tài),此時(shí)從2.002V緩慢增長(zhǎng)到2.918V。涓流充電完成后,充電電壓提高到2.918V,仿真電壓的精度達(dá)到±0.6%。在恒流充電狀態(tài)時(shí),保持1V的電壓不變。根據(jù)曲線,M1～M2處于恒流充電狀態(tài),此時(shí)從2.918V緩慢增長(zhǎng)到4.189V。恒流充電完成后,充電電壓提高到最終的電壓4.189V,仿真電壓的精度達(dá)到±0.3%。恒壓充電狀態(tài)時(shí),不斷減小,直到減小到0.1V后,充電終止。根據(jù)曲線,恒壓充電狀態(tài)時(shí)保持浮充電壓4.189V不變。

第二幅圖是CHRG的曲線圖,第三幅圖是DONE的曲線圖。圖中5V電位即表示信號(hào)的數(shù)字高電平,0V電位則表示數(shù)字低電平。在充電狀態(tài)時(shí),DONE處于高電平,CHRG處于低電平,充電的指示燈亮起。在充電停止時(shí),DONE處于低電平,CHRG處于高電平,充電停止的指示燈亮起。

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