- 充電電路的設(shè)計與實現(xiàn)
- 電路設(shè)計方案分析
- 充電電路的器件選擇
- 初始化充電周期
- 快充過程
- 脈沖充電過程
- 充電狀態(tài)指示CHG
當(dāng)前，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，手機(jī)已成為了人們的生活必需品。而且，為了滿足消費者的更高需求，當(dāng)今的手機(jī)越來越薄，功能卻在繼續(xù)多樣化，這些都對電池的供電都提出了新的要求。因此，如何設(shè)計功能強(qiáng)，性能優(yōu)越的充電電路就變得非常重要。
電路功能
根據(jù)設(shè)計目標(biāo)的需求分析，該電路能夠滿足如下功能：
●內(nèi)置儲能鋰電池，可以在平時充好電以備應(yīng)急時用。
●有充電顯示功能，可選擇“充電（CH）”、“待機(jī)（OFF）”兩個功能位。
●集快充、方波充、涓流充、溫度自動監(jiān)控于一體。
電路的設(shè)計與實現(xiàn)
1電路設(shè)計思想
從手機(jī)鋰離子二次電池的恒流／恒壓充電控制出發(fā)，用220V交流電通過配置的內(nèi)置儲能鋰電池對手機(jī)鋰離子電池充電。電路的具體工作流程如圖1所示。
圖1工作流程圖
2電路設(shè)計方案
①充電芯片的工作原理和特點
充電芯片選用美信半導(dǎo)體公司的鋰電池充電芯片，這款充電芯片具有很強(qiáng)的充電控制特性，可外接限流型充電電源和P溝道場效應(yīng)管，能對單節(jié)鋰電池進(jìn)行安全有效的快充。其最大特點是在不使用電感的情況下仍能做到很低的功率耗散，且充電控制精度達(dá)0.75％；可以實現(xiàn)預(yù)充電；具有過壓保護(hù)和溫度保護(hù)功能，其浮充方式能夠充至最大電池容量。
當(dāng)充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時，接通電源將啟動一次充電過程。充電結(jié)束的條件是平均的脈沖充電電流達(dá)到快充電流的1％，或時間超出片上預(yù)置的充電時間。所選用的充電芯片能夠自動檢測充電電源，在沒有電源時自動關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動快充后打開外接的P型場效應(yīng)管，當(dāng)檢測到電池電壓達(dá)到設(shè)定的門限時進(jìn)入脈沖充電方式，充電結(jié)束時，外接LED指示燈將會進(jìn)行閃爍提示。
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②該電路工作原理
產(chǎn)品內(nèi)置儲能電池的充電及保護(hù)電路原理如圖2所示。
圖2Wealth—Ⅰ內(nèi)置儲能電池的充電及其保護(hù)電路原理圖
其中包括：LED顯示、熱敏電阻，電流反向保護(hù)。ADJ引腳通過10kΩ的電阻與內(nèi)部1.4V的精密基準(zhǔn)源相連接，當(dāng)ADJ對地沒有連接電阻時，電池充電電壓閾值為缺省值：VBR＝4.2V；當(dāng)需要自行設(shè)置充電閾值時，可在ADJ引腳與GND間接一精度為1％的電阻RADJ，阻值由式(1)確定：
RADJ＝10kΩ/(VBR/VBRC-1)(1)
由圖3可知，充電閾值為4.1V，可得RADJ＝410kΩ。電阻精度為1％時，產(chǎn)生得系統(tǒng)誤差為0.024％。
TSEL管腳接BATT、ADJ或GND將得到不同的快充時間和全部充電時間。TESL管腳接BATT時快充時間為55分鐘，全部充電時間為2.8小時；TSEL接ADJ時快充時間為75分鐘，整個充電時間為3.75小時；TSEL接GND時快充時間沒有限制，整個充電時間為6.25小時。充電電流的限制可以采用限流電阻的方法解決。
電路工作流程如下:
①初始化充電周期
充電芯片檢測到電池和充電電源后將初始化充電周期，充電結(jié)束后，如檢測到電池電壓低于3.89V或THERM引腳電壓高于1.4V將重新充電。允許快充的條件是電池電壓大于2.5V且小于充電閾值電壓（默認(rèn)值是4.2V），且溫度范圍為2.5～47.5℃。如果溫度范圍不符，充電芯片將處于用5mA的電流預(yù)充，防止深度放電的鋰離子電池在快充時損壞甚至發(fā)生危險。
②快充過程
快充開始后，充電芯片打開外接的P溝道場效應(yīng)管，充電電流大小由外部限流型充電電源決定。由于P溝道場效應(yīng)管工作在開關(guān)狀態(tài)，并非線性穩(wěn)壓器，所以功耗極小?？斐浣Y(jié)束的條件是電池電壓達(dá)到閾值（由ADJ引腳調(diào)節(jié)），充電時間達(dá)到預(yù)定的快充時間或溫度超出安全范圍。溫度超出工作范圍時快充只是暫停，當(dāng)溫度恢復(fù)后快充將持續(xù)進(jìn)行。
③脈沖充電過程
多數(shù)情況下，充電電池達(dá)到閾值后便會結(jié)束快充過程而進(jìn)入脈沖充電過程。充電芯片每隔2ms檢測一次電池電壓，電池電壓小于閾值時，外部P溝道場效應(yīng)管導(dǎo)通；電池電壓大于等于閾值時，P溝道場效應(yīng)管斷開；脈沖充電過程接近結(jié)束時，P溝道場效應(yīng)管的斷開時間大大超過接通時間，達(dá)到TSEL管腳設(shè)置的周期比（1/64，1/128，1/256）后脈沖充電過程結(jié)束。
④充電狀態(tài)指示CHG
管腳CHG與管腳IN之間連接LED作為充電狀態(tài)指示燈，當(dāng)沒有插入電池，電源沒有連接或電池電壓小于2.2V時，CHG管腳在高阻態(tài)，LED不亮；當(dāng)快充或脈沖充電時，LED亮，在初始化期間或時間超出預(yù)定時間，LED按50％周期閃爍；當(dāng)充電狀態(tài)結(jié)束時，LED按12％周期閃爍。
3專用充電芯片的選擇及其電路設(shè)計
①鋰電池充電特性
鋰電池充電器需同時限制電壓和電流，通常對鋰離子電池充電分為四個過程：
A預(yù)充電。如果充電開始時單節(jié)電池電壓低于2.5V,則用涓流充電方式對電池進(jìn)行預(yù)充電直到電池電壓升至2.5V，其充電電流大小一般在1C×1/10。
B恒流充電。預(yù)充電結(jié)束后即開始恒流充電，其間電池電壓不斷上升。
C恒壓充電。當(dāng)電池電壓上升到4.1V后轉(zhuǎn)入恒壓充電，其間充電電流不斷減小。
D充電終止。當(dāng)端電壓達(dá)到電壓閾值并且充電電流降至0.03C(約1charge的3%)時,即認(rèn)為電池已基本充足，可終止充電。有的會再延時一段時間結(jié)束充電。
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當(dāng)前的鋰離子電池一般充電到4.20V，容差為±0.05V/節(jié)。
較高的充電電流并不會使充電時間縮短太多。較高的充電電流能較快達(dá)到電壓峰值，但是浮充需要較長時間。通常，浮充時間是初始充電時間的兩倍。
②所用芯片特點
選用美國飛思卡爾半導(dǎo)體產(chǎn)品公司開發(fā)的專用充電芯片。該芯片是8腳開關(guān)型充電控制集成電路，專門適用于鋰電電池的充電管理，能實現(xiàn)高精度充電控制。它簡化了鋰電池的充電過程，把必要的功率轉(zhuǎn)換和鋰電池的充電控制算法及其他充電需要的功能電路制作到同一塊IC上。其主要特點如下。
●可對鋰離子電池進(jìn)行安全充電管理；
●高頻開關(guān)模式控制器使得充電效率可達(dá)90％以上；
●可防止對鋰電池的過充電和欠充電；
●初充電模式可檢測電池短路、損壞以及電池過熱；●快速充電結(jié)束方式，對鋰電池可選擇為最小電流和最長時間關(guān)斷模式；
●電池組放入與取出檢測；
●低功耗的休眠方式。
其內(nèi)部框圖如圖3所示。
圖3Wealth—Ⅰ主充電芯片內(nèi)部電路原理
③工作原理
首先，由振蕩器和內(nèi)部振蕩器共同作用到時鐘脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生時鐘信號，用來控制D/A轉(zhuǎn)換、－ΔV運算器及其他有關(guān)單元電路，并使之同步工作。該充電芯片在中斷充電電流期間進(jìn)行采樣，以求采樣的精確。采樣電壓從腳4（BAT）進(jìn)入電路內(nèi)部，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入－ΔV運算器處理，并將運算結(jié)果送入充電控制單元，隨時控制充電過程。
在充電初始階段，該充電芯片會檢測電池的電參數(shù)，一旦電參數(shù)確定，立即用適當(dāng)?shù)乃惴ù_定合適的控制方法。這個過程主要是為了區(qū)分不同電參數(shù)的鋰電池，同時也排除了欠充電和過充電情況發(fā)生。該充電芯片使用最小電流法終結(jié)充電。為了充電安全，電路內(nèi)部設(shè)置了一個可供用戶編程的充電定時器。通過定時器也可以用最大時間法終結(jié)充電。
另外，為了確保安全，在電池的電壓和溫度未達(dá)到預(yù)先確定的或用戶規(guī)定的閾值之前，該充電芯片禁止快速充電。
圖4手機(jī)應(yīng)急充電器主充電電路原理圖
