鋰電池在線充放電管理電路的設(shè)計(jì)

摘要：介紹鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)和對(duì)保護(hù)電路要求高的特點(diǎn)，用P87LPC767單片機(jī)做控制，MAX1758做充電管理，設(shè)計(jì)了一種在線式的鋰離子電池充放電管理電路，并給出了充電參數(shù)的設(shè)置方法和充放電控制的狀態(tài)流程。為應(yīng)用鋰離子電池和外電池供電的雙電源儀器的設(shè)計(jì)提供一種參考。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 在線式 充放電管理 P87LPC767單片機(jī) MAX1758芯片

1 鋰離子電池的特點(diǎn)

近幾年來，便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展促進(jìn)了電池技術(shù)的更新?lián)Q代。其中鋰離子電池以高能量密度、高內(nèi)阻、高電池電壓、高循環(huán)次數(shù)、低自放電等特性，脫穎而出，迅速成為市場(chǎng)的主流。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在筆記本電腦和移動(dòng)電話領(lǐng)域，鋰離子電池的市場(chǎng)占用率分配為90%和60%。根據(jù)日本矢野經(jīng)濟(jì)研究所的預(yù)測(cè)，鋰離子電池正在53.33%的年增長(zhǎng)率快速取代傳統(tǒng)的鎳鉻和鎳氫電池市場(chǎng)。

雖然鋰離子電池有以上所說的種種優(yōu)點(diǎn)和良好的市場(chǎng)前景，但它對(duì)保護(hù)電路的要求比較高，在使用過程中應(yīng)嚴(yán)格避免出現(xiàn)過充電、過放出現(xiàn)象，放電電流也不宜過大，一般而言，放電速率不應(yīng)大于0.2C。鋰電池的充電過程如圖1所示。在一個(gè)充電周期內(nèi)，鋰離子電池在充電開始之前需要檢測(cè)電池的電壓和溫度，判斷是否可充。如果電池電壓或溫度超出制造商允許的范圍，則禁止充電。允許充電的電壓范圍是：每節(jié)電池2.5V～4.2V；范圍范圍是：2.5℃～50℃。在電池處于深放電的情況下，必須要求充電器具有預(yù)充過程，使電池滿足快速充電的條件；然后，根據(jù)電池廠商推薦的快速充電速率，一般為1C，充電器對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，電池電壓緩慢上升；一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓（一般為4.1V或4.2V），恒流充電終止，充電電流快速衰減，充電進(jìn)入滿充過程；在滿充過程中，充電電流逐漸衰減，直到充電速率降低到C/10以下或滿充時(shí)間超時(shí)時(shí)，轉(zhuǎn)入頂端截止充電；頂端截止充電時(shí)，充電器以極小的充電電流為電池補(bǔ)允能量。頂端截止充電一段時(shí)間后，關(guān)閉充電。

一般而言，鋰離子電池的安全電壓下限為2.4V，其所要求的誤差精準(zhǔn)度并不如充電電壓精確，但亦必須配合適當(dāng)?shù)倪^放電延遲時(shí)間，以同時(shí)兼顧最大使用電量與過放電保護(hù)的要求。當(dāng)電池進(jìn)行放電動(dòng)作、電池電壓低于過放電保護(hù)電壓時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉電池放電，避免電池過放電現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)放電電流過大，保護(hù)電路應(yīng)該關(guān)閉電池放電，執(zhí)行過放電電流保護(hù)功能。至于保護(hù)電流的大小，可以根據(jù)負(fù)載的大小加以設(shè)定。值得注意的是：保護(hù)電路不能因?yàn)樨?fù)載需要短時(shí)間的大電流而誤動(dòng)作，保護(hù)電路必須提供不同的過放電電流保護(hù)延遲時(shí)間，提高工作的穩(wěn)定性。

除此之外，整體鋰離子電池組的保護(hù)功能還可以通過電池內(nèi)部的安全閾作內(nèi)壓保護(hù)，外部電路的熱敏電阻進(jìn)行高溫保護(hù)。

2 在線充放電管理的電路結(jié)構(gòu)

由于鋰離子電池對(duì)保護(hù)電路要求比較高，在設(shè)計(jì)充電和放電電路時(shí)，應(yīng)該充分考慮到可能出現(xiàn)的各種情況，并加以保護(hù)，以確保電池安全工作。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要將鋰離子電池應(yīng)用在長(zhǎng)期無人看守的儀器中，要求充放電管理電路可自動(dòng)監(jiān)測(cè)鋰離子電池、外部供電以及負(fù)載的狀態(tài)，并做出相應(yīng)的動(dòng)作，以確保負(fù)載長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，鋰電池安全有效地工作。選擇MAXIM公司生產(chǎn)的鋰離子充電管理芯片MAX1758和PHILIPS公司生產(chǎn)的低功耗單片機(jī)P87LPC767來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的充電和放電管理，以及對(duì)電池工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，完成外部供電電壓和內(nèi)部電池電壓的實(shí)時(shí)切換。充放電管理電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 充電管理電路原理

圖2所示電路的上半部分是用MAX1758構(gòu)成的1～4節(jié)鋰離子電池充電管理電路。MAX1758芯片內(nèi)部電路包括：輸入調(diào)節(jié)器、電壓檢測(cè)器、充電電流檢測(cè)器、定時(shí)器、溫度檢測(cè)器和主控制器。

輸入電流調(diào)節(jié)電路用于限制電源的總輸入電流，包括系統(tǒng)負(fù)載電流和充電電流。當(dāng)檢測(cè)到輸入電流大于設(shè)定的限流門限時(shí)，通過降低充電電流可達(dá)到限制輸入電流的目的。因?yàn)樽鲿r(shí)電源電流的變化范圍較大，如果充電器沒輸入電流檢測(cè)功能，則輸入電源（墻上適配器或其它直接電源）必須能夠提供最大負(fù)載電流與最大充電電流之和。這將使電池的成本增高、體積增大。而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對(duì)直流電源的要求，同時(shí)也簡(jiǎn)化了輸入電源的設(shè)計(jì)。圖2中利用MAX1758的CSSP引腳與CSSN引腳之間的外接電阻R1來檢測(cè)輸入電流，ISETIN引腳設(shè)置檢測(cè)門限。需要注意的是：電阻R1上的壓差使充電器的功耗弱大、效率降低。為減小壓差，一般應(yīng)選擇較小的電阻值；但過小的阻值會(huì)使內(nèi)部輸入檢流放大器的失調(diào)電壓增大，從而降低電流檢測(cè)精度。因此，應(yīng)綜合考慮，選擇適當(dāng)?shù)腞1值。

電壓檢測(cè)電路可與電流檢測(cè)電路分別對(duì)電池電壓和充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)、監(jiān)測(cè)。最大充電電流由ISETOUT引腳的電壓值確定，電池充電終止電壓限定為4.2V，通過VADJ引腳的外接分壓電壓在4.0V～4.4V之間調(diào)節(jié)。電池節(jié)數(shù)由CELL引腳設(shè)置，CELL引腳接GND、浮空、接REF、接VL分別表示電池節(jié)數(shù)為1節(jié)、2節(jié)、3節(jié)、4節(jié)。MAX1758的電壓檢測(cè)精度為±0.8%。電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)結(jié)果送入內(nèi)部主控制，主控制器通過驅(qū)動(dòng)內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通或斷開以達(dá)到控制電流或限制電池電壓的目的。

定時(shí)器和溫度檢測(cè)器為電流充電提供附加保護(hù)。由于充電效率達(dá)不到100%，充電時(shí)間限定值應(yīng)留而余量。溫度傳感器應(yīng)接在THM和GND之前，靠近電池安裝。溫度傳感器可選擇具而負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，+25℃時(shí)阻值為10kΩ。Philips、Cornerstone傳感器公司、Fenwall電子公司均可提供適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品。MAX1758以1.2Hz的頻率檢測(cè)電池溫度。

4 充電參數(shù)設(shè)置

4.1 電池終止電壓設(shè)置

通過MAX1758的VADJ引腳外接分壓電阻可以設(shè)置電池充電終止電壓，分壓電阻應(yīng)選擇阻值低于100kΩ、精度為1%以上的精密電阻。電池充電終止電壓與電池的化學(xué)特性和內(nèi)容構(gòu)造而關(guān)，具體參數(shù)由電池廠商提供。VADJ引腳的電壓（VVADJ）與電池充電終止電壓（VBATTR）、電池節(jié)數(shù)（N）、基準(zhǔn)電壓（VREF）之間的關(guān)系由下式確定：

VVADJ=(9.5VBATTR/N)-(9.0×VREF)

4.2 充電電流設(shè)置

快充過程的充電電流由ISETOUT引腳的電壓值（VIESTOUT）決定，該電壓由連接在RET和GND之間的分壓電阻調(diào)節(jié)。當(dāng)ISETOUT引腳接REF時(shí)，電流為最大值（1.5A）。ICHG與VIESTOUT的關(guān)系如下：

ICHG=1.5A×(VIESTOUT/VREF)

4.3 輸入電流限制

輸入限流門限IIN由ISETIN引腳的電壓確定，根據(jù)下式可確定IIN的值。

IIN=IFSS(VISETIN/VREF)

式中：IFSS=0.1V/R1

4.4 選擇電感

電感值與電流紋波的大小而關(guān)。選用較大的電感時(shí)電流彈頭波較小，但如果電感的物理尺寸相同時(shí)，電感值越大，通常電感的等效串聯(lián)電阻和額定電流較小。從總體指標(biāo)考慮，電流紋波一般設(shè)置為平均充電電流的30%～50%。假設(shè)紋波電流與直流充電電流之比為L(zhǎng)IR，則電感值由下式確定：

L=[VBATT(VDCIN(MAX)-VBATT)]/[VDCIN(MAX) ×fosc×ICHG×LIR]

式中：fosc為充電器內(nèi)部DC/DC變換器的開關(guān)頻率，為300kHz。電感額定電流應(yīng)大于ICHG[1+LIR/2]。

4.5 充電時(shí)間設(shè)置

MAX1758內(nèi)含4個(gè)定時(shí)時(shí)間設(shè)置功能，即預(yù)充、快充、滿充、頂端截止充電時(shí)間。在TIMER1外接電容可設(shè)置預(yù)充、滿充和頂端截止充電過程的時(shí)間限制，在TIMER2上外接電容可設(shè)置快充時(shí)間限制。充電速率為1C時(shí)，典型充電時(shí)間設(shè)置為（TIMER1與TIMER2的外接電容均為1nF）：預(yù)充時(shí)間7.5分鐘、快充時(shí)間為90分鐘、滿充時(shí)間為90分鐘、頂端終止充電時(shí)間為45分鐘。

5 過充、過放保護(hù)

單片機(jī)P87LPC767的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外供電電壓、電池電壓、負(fù)載電壓和電池溫度，并根據(jù)監(jiān)視參數(shù)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池過充、過放、過溫、負(fù)載過流的保護(hù)，以及與主CPU進(jìn)行參數(shù)交換。

P87LPC767而四個(gè)A/D轉(zhuǎn)換接口，分別用于監(jiān)測(cè)外供電電壓、電池電壓、負(fù)載電壓和電池溫度。工作時(shí)P87LPC767每20毫秒就對(duì)外供電電壓進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，讀取外供電電壓值。一旦外供電壓低于設(shè)定值時(shí)，P87LPC767就打開功率MOSFET Q1，將負(fù)載供電切換到電池上，如圖3。P87LPC767每秒鐘檢測(cè)一次電池電壓、負(fù)載電壓和電池溫度，判斷電池是否需要充電。若電池電壓低于設(shè)定的值，而外供電電壓和溫度都滿足充電的條件，則打開MAX1758，對(duì)電流充電，補(bǔ)充電池能量。當(dāng)電池給負(fù)載供電，電池電壓低于安全放電的電壓值（每節(jié)電池電壓低于2.4V）時(shí)，P87LPC767立刻將Q1關(guān)斷，防止電池過放，并將負(fù)載、MAX1758等外圍電路關(guān)閉，轉(zhuǎn)入低功耗工作模式，以節(jié)省耗電，等待外供電壓恢復(fù)正常時(shí)，再重新啟動(dòng)。如果檢測(cè)到負(fù)載電壓過低，會(huì)認(rèn)為是過流引起的，也將立即關(guān)閉負(fù)載，轉(zhuǎn)入低功耗工作模式，等待外部喚醒。這樣，P87LPC767可以實(shí)現(xiàn)電池以及負(fù)載電路的保護(hù)，使得儀器在外部供電電源不太穩(wěn)定的環(huán)境下可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。