一種智能大電流鋰離子電池線性充電方案

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備日益趨于便攜化、多功能化，因此也對(duì)它們的供電電池提出了輕便、高效的要求。鋰離子電池以其能量密度高、充放電性能優(yōu)異、無(wú)污染等特點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)的鎳鎘、鎳氫電池、鉛酸電池被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代便攜式電子產(chǎn)品中。

相對(duì)于其他類型電池，鋰離子電池在性能優(yōu)異的同時(shí)也對(duì)充電器提出了更高的要求，這些要求主要體現(xiàn)在充電過(guò)程的控制和鋰電池保護(hù)方面，具體表現(xiàn)為較大的充電電流、高精度的充電電壓、分階段的充電模式和完善的保護(hù)電路等。

本文討論使用大電流鋰離子電池充電芯片SE9018設(shè)計(jì)鋰離子電池線性充電方案。

芯片介紹

SE9018是一款恒流/恒壓模式的鋰離子電池線性充電芯片，采用內(nèi)部PMOSFET架構(gòu)，并集成有防倒充電路，不需要外部隔離二極管。

芯片預(yù)設(shè)充飽電壓為4.2V，精度為±1.5%，充電電流可通過(guò)外部電阻進(jìn)行設(shè)置，最大持續(xù)充電電流可達(dá)1A。當(dāng)芯片由于工作功率大、環(huán)境溫度高或PCB散熱性能差等原因?qū)е陆Y(jié)溫高于140℃時(shí)，內(nèi)部熱反饋電路會(huì)自動(dòng)減小充電電流，將芯片溫度控制在安全范圍之內(nèi)。為使芯片能夠維持高效工作狀態(tài)，應(yīng)采取措施盡量降低芯片工作功率和芯片溫度，例如輸入端串聯(lián)小電阻(降低輸入電壓)、增大PCB散熱銅箔面積、使芯片散熱片與PCB銅箔充分接觸等。

圖2 SE9018原理圖

SE9018內(nèi)部集成電池溫度監(jiān)測(cè)電路，當(dāng)電池溫度超出正常范圍(過(guò)高或過(guò)低)時(shí)，芯片自動(dòng)停止充電過(guò)程，防止電池因?yàn)闇囟冗^(guò)高或過(guò)低而損傷。

電池溫度監(jiān)測(cè)是通過(guò)判斷TEMP端電壓(VTEMP)實(shí)現(xiàn)的，VTEMP由一個(gè)包括電池內(nèi)部NTC熱敏電阻在內(nèi)的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)提供。

當(dāng)VTEMP處于45%×VCC與80%×VCC之間時(shí)，芯片判斷電池溫度處于正常范圍內(nèi)；當(dāng)VTEMP 45%×VCC或VTEMP > 80%×VCC時(shí)，芯片判斷電池溫度過(guò)高或過(guò)低；當(dāng)TEMP端接地時(shí)，電池溫度監(jiān)測(cè)功能被禁用。

SE9018包含兩個(gè)漏極開路的狀態(tài)指示輸出端CHRG和STDBY，當(dāng)電路處于充電狀態(tài)時(shí)，CHRG端置低電平，STDBY端為高阻態(tài)；當(dāng)電池充飽時(shí)，CHRG端變?yōu)楦咦钁B(tài)，STDBY端置低電平。當(dāng)電池溫度監(jiān)測(cè)功能正常使用時(shí)，如果芯片未連接電池或電池溫度超出正常范圍，CHRG端和STDBY端均為高阻態(tài)；當(dāng)電池溫度監(jiān)測(cè)功能被禁用時(shí)，如果芯片未連接電池，STDBY端為低電平，CHRG端輸出脈沖信號(hào)。

SE9018的其他功能包括手動(dòng)停機(jī)、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電等。

設(shè)計(jì)方案分析

典型的基于SE9018的鋰離子電池充電電路如圖3所示。CE端為高電平時(shí)，SE9018正常工作。

圖3 SE9018典型應(yīng)用電路

1.充電電流的設(shè)置

恒流充電過(guò)程中的充電電流Ibat由PORG端與GND端之間的電阻Rprog設(shè)定，Ibat與Rprog阻值的關(guān)系為：

公式1

例如，如果想得到1A的恒定充電電流，根據(jù)公式1可得Rprog=1200Ω。

2.電池溫度監(jiān)測(cè)電路設(shè)置

電池溫度監(jiān)測(cè)電路的設(shè)置主要是對(duì)R1和R2進(jìn)行設(shè)置，假設(shè)NTC熱敏電阻在最低工作溫度時(shí)的電阻為RTL，在最高工作溫度時(shí)的電阻為RTH(RTL與RTH的數(shù)據(jù)可查相關(guān)電池手冊(cè)或通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到)，則R1，R2的阻值分別為：

公式2

公式3

在實(shí)際應(yīng)用中，如果只需要高溫保護(hù)，不需要低溫保護(hù)，可以將R2去掉。此時(shí)，R1的阻值為：

公式4

3.手動(dòng)停機(jī)設(shè)置

在充電過(guò)程中，可隨時(shí)通過(guò)置CE端為低電平或去掉Rprog(PROG端浮置)將SE9018置于停機(jī)狀態(tài)，此時(shí)電池漏電流降至2uA以下，輸入電流降至70uA以下。

4.欠壓閉鎖狀態(tài)

若輸入電壓VCC低于欠壓鎖定閾值或VCC與電池電壓Vbat之差小于120mV，SE9018處于欠壓閉鎖狀態(tài)。

當(dāng)芯片處于停機(jī)狀態(tài)或欠壓閉鎖狀態(tài)時(shí)，CHRG端與STDBY端均為高阻態(tài)。

5.正常充電工作周期

當(dāng)SE9018的各輸入端與電池均處于正常狀態(tài)時(shí)，充電電路進(jìn)入正常充電周期，此周期包括四種基本工作模式：涓流充電、恒流充電、恒壓充電、充電結(jié)束與再充電。

若電池電壓Vbat低于2.9V，充電電路進(jìn)入涓流充電模式，此時(shí)充電電流為恒流充電電流的十分之一(如果恒流充電電流被設(shè)置為1A，則涓流充電電流為100mA)，涓流充電狀態(tài)會(huì)一直保持到電池電壓Vbat達(dá)到2.9V。涓流充電模式主要是為了避免電池電壓太低時(shí)大電流沖擊給電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來(lái)的損害。

電池電壓高于2.9V但小于預(yù)設(shè)充飽電壓4.2V時(shí)，充電電路處于恒流充電模式，如上所述，充電電流由Rprog確定。

電池電壓達(dá)到4.2V時(shí)，充電電路進(jìn)入恒壓充電模式，此時(shí)BAT端電壓維持在4.2V，充電電流逐漸減小。此過(guò)程的主要作用是減小電池內(nèi)阻對(duì)于充飽電壓的影響，使電池充電更加充分。

當(dāng)充電電流減小至恒流充電電流的1/10時(shí)，充電電路停止向電池充電并進(jìn)入低功耗的待機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，SE9018會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)電池電壓，如果電池電壓降至4.05V以下，充電電路會(huì)再次對(duì)電池進(jìn)行充電。

6. 指示燈狀態(tài)

表1：

7.兼容USB電源與適配器電源的電路

同時(shí)，使用SE9018芯片可以實(shí)現(xiàn)適用于USB電源和適配器電源的充電電路，電路圖如圖4所示。

圖4 USB與適配器方案

使用USB電源供電時(shí)，PMOS與NMOS柵極被下拉至低電位，PMOS導(dǎo)通， USB電源對(duì)SE9018進(jìn)行供電，SCHOTTKY二極管防止USB端向適配器端漏電。NMOS截止，Rp1被斷開，Rprog = 2.4kΩ，恒流充電電流為500mA。

使用5V適配器進(jìn)行供電時(shí)，PMOS與NMOS柵極為高電位，PMOS截止，防止適配器端向USB端漏電，適配器5V電壓通過(guò)SCHOTTKY二極管對(duì)SE9018進(jìn)行供電。NMOS導(dǎo)通，Rp1被接入電路中，此時(shí)Rprog為Rp1與2.4kΩ電阻并聯(lián)，通過(guò)設(shè)置Rp1，可以實(shí)現(xiàn)大于500mA的恒流充電電流。

本文結(jié)論

在目前的便攜式產(chǎn)品中，要正確地實(shí)現(xiàn)電池充電需要仔細(xì)地設(shè)計(jì)考慮。本文討論了智能大電流鋰離子電池線性充電解決方案，使用的SE9018芯片具有充電速度快、對(duì)電池保護(hù)功能強(qiáng)、外圍元器件數(shù)目較少等特點(diǎn)，而且該芯片還適合USB電源和適配器電源工作，是較為實(shí)用的智能大電流鋰離子電池充電芯片。