單片線性鋰離子電池充電器IC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　鋰離子和鋰聚合物電池具有工作電壓高、無記憶效應(yīng)、工作溫度范圍寬、自放電率低及比能量高優(yōu)點(diǎn)。使其能夠較好地滿足便攜式設(shè)備對電源小型化、輕量化、長工作時(shí)間和長循環(huán)壽命以及對環(huán)境無害等要求，同時(shí)隨著鋰離子電池產(chǎn)量的提高，成本的降低，鋰離子電池以其卓越的高性價(jià)比優(yōu)勢在便攜式設(shè)備電源上取得了主導(dǎo)地位，這也使得鋰離子電池充電器得到了巨大的發(fā)展和廣闊的市場。本文設(shè)計(jì)一款針對單節(jié)鋰電池的線性充電器IC.該IC采用涓流-恒流-恒壓三階段充電法對充電過程進(jìn)行控制。

　　1 線性鋰離子電池充電器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　圖1所示為本文鋰離子電池充電器的整體功能模塊圖。這些子模塊包括。基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電流源、欠壓閉鎖模塊、恒流充電放大器、恒壓充電放大器、智能熱調(diào)整放大器、鉗位放大器、振蕩器、計(jì)數(shù)器、電池溫度保護(hù)模塊、功率管襯底保護(hù)模塊、邏輯模塊以及多個(gè)比較器模塊。

　　考慮芯片的實(shí)際應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的鋰離子電池充電器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　?。?）芯片的溫度保護(hù)方面在充電過程中，當(dāng)電池的電壓達(dá)到涓流充電跳變電壓門限而進(jìn)入恒流階段時(shí)，恒流階段為大電流充電，由于本文的功率管為PMOS，在負(fù)載電池和電源之間只有該功率管，此時(shí)電池電壓較低，芯片功率耗散達(dá)到最大。其功率耗散為：

　　P=（Vcc-VBAT）Icc （1）

　　大功率耗散將導(dǎo)致芯片的溫度急劇上升，因此設(shè)置了一個(gè)智能的熱反饋回路。當(dāng)芯片溫度上升到熱反饋溫度點(diǎn)105℃時(shí)，啟動(dòng)熱反饋回路，使芯片溫度維持在105℃。當(dāng)電池電壓進(jìn)一步升高時(shí)，由式（1）可知，功率耗散逐漸降低，在較小的功率耗散下，芯片的溫度會(huì)逐漸降低。此時(shí)退出智能熱調(diào)整工作模式，進(jìn)入恒流充電模式，使用大電流Icc對電池充電，或者直接進(jìn)入恒壓充電階段。該熱反饋回路的使用，使充電的速率最大化，同時(shí)用戶無需擔(dān)心芯片的溫度過高。

　　（2）成本方面。本文介紹的芯片采用CMOS工藝設(shè)計(jì)，成本低，工藝易于實(shí)現(xiàn)。

　?。?）與用戶的交互式管理方面。芯片提供了多個(gè)外部用戶編程引腳以方便用戶對芯片的管理和使用。在充電電流的控制方面，用戶可以通過連接1只電阻至芯片一個(gè)引腳對充電電流進(jìn)行編程；在充電最終電壓的控制方面，用戶可通過將芯片的一個(gè)引腳接高電平或低電平來設(shè)置最終充電電壓為4.1 V或4.z V，以適應(yīng)對使用不同的負(fù)極材料的鋰離子電池進(jìn)行充電；在充電時(shí)間的控制上，用戶可通過連接1只電容至芯片1個(gè)引腳對充電時(shí)間進(jìn)行編程，滿足用戶不同的充電時(shí)間要求。芯片設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)達(dá)到的特性和參數(shù)見表1.

　　芯片引腳的外部連接如圖2所示。在圖2中，CHRG，F(xiàn)AULT，ACPR三引腳分別與一個(gè)1 kΩ的電阻以及一個(gè)發(fā)光二極管相連，用于指示芯片的充電狀態(tài)；4.7μF電容為電源Vcc的旁路電容，在電池BAT引腳處接有一個(gè)ESR為1 Ω的1 μF旁路電容，用于在沒有電池時(shí)，將紋波電壓保持在低水平。NTC引腳處，一個(gè)10 kΩ的負(fù)溫度系數(shù)的電阻RNTC與4 kΩ電阻相串連，將RNTC上的分壓作為NTC引腳的輸入。

　　2 線性鋰離子電池充電器的整體仿真結(jié)果

　　仿真中，為縮短仿真時(shí)間，將電池等效為一個(gè)大電容CBAT，其等效串連電阻為RESR.2為對預(yù)設(shè)定的充電器芯片特性參數(shù)表仿真后得到的結(jié)果。

　　2.1 電器充電過程波形圖

　　圖3~圖5是充電器的充電過程在不同的條件下仿真得到的結(jié)果。為縮短仿真時(shí)間，電池預(yù)設(shè)的電壓為2.3 V，以便充電過程能夠迅速地由涓流充電模式過渡到恒流充電模式。

　　在仿真中，RPROG的值設(shè)置為3 kΩ，涓流充電電流為50 mA，恒流充電電流為500mA;SEL引腳接地電位，電池的最終充電電壓為4.1V.由圖3~圖5中可以知，在各種工作條件下，充電器都能正常工作。在圖4中充電的過程與溫度的關(guān)系曲線中，當(dāng)溫度為125℃時(shí)，充電電流為零，這是由于芯片中的智能熱調(diào)整溫度Tc是105℃，智能熱調(diào)整電路正常運(yùn)行使芯片的充電電流在125℃時(shí)降至零，電池的電壓一直維持在2.3 V.

　　2.2 充電器充電電流和智能熱調(diào)整波形圖

　　充電器充電電流和智能熱調(diào)整波形圖如圖6所示。由圖7可知，當(dāng)芯片的溫度達(dá)到105℃附近時(shí)，智能熱調(diào)整電路自動(dòng)啟動(dòng)，減小充電電流。以降低芯片的功耗。

　　2.3 最壞情況下電池最終充電電壓仿真數(shù)據(jù)

　　為確保即使在最壞情況下，鋰離子電池最終充電電壓達(dá)到要求，對全電路進(jìn)行了電阻的所有corner RES_TT，RES_FF，RES_SS與MOSFET的所有cornerTT，F(xiàn)F，F(xiàn)S，SF，SS的交叉仿真，仿真后得到如表2和表3所示的電池最終充電電壓的典型情況與最差情況。其中，表3是在基準(zhǔn)電壓2.485 V未進(jìn)行微調(diào)情況下仿真得到的結(jié)果，表4是在對基準(zhǔn)電壓2.485 V微調(diào)后得到的仿真結(jié)果。

　　由表2、表3的仿真結(jié)果可知電池的最終充電電壓的仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求其精度如下：

　　（1）VREF微調(diào)后，SEL=0或Vcc時(shí)，VBAT可控制在4.1 V或4.2（1±0.4%）V.

　　（2）VREF不進(jìn)行微調(diào)時(shí)，SEL=0或VCC時(shí)，VBAT可控制在4.1 V或4.2（1±0.8%）V.

　　3 結(jié)論

　　該芯片具有充電速度快、對電池保護(hù)功能強(qiáng)、低成本等特點(diǎn)，是較為實(shí)用的智能化鋰電池充電器芯片。