智能锂电池充电器设计与实现

高 倩，侯建军，王 梦

（北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044）

锂电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低、环境温度影响小等特点[1]，被广泛应用于移动手持设备，如手机、数码相机、POS机等。锂电池对充电器的要求苛刻[2]，使用错误的充电器，或错误的使用充电器，都可能造成安全问题，因此厂商通常为其设备提供接口各异参数不同的专用充电设备。在高能效需求的推动下，消费者和标准组织都要求通用电源接口，旨在让不同厂商的终端设备都能够使用标准化的AC/DC适配器或USB连接。这给电源设计工程师带来了一个巨大的挑战，因为充电模块无法预知到大量的未知情况，充电过程中可能频繁出现过流与过压的问题，对充电及电池的使用造成了极大的安全隐患[3]。

本文为解决充电接口差异化以及充电过程中过流与过压的问题，设计了基于BQ24152的通用、安全、高效、廉价的智能锂电池充电器。

1 系统概述

1.1 系统结构

充电系统由输入单元、充电芯片单元、锂电池单元和主芯片单元组成，如图1。

图1中，输入电源为标准化的5 V/1 A AC/DC适配器或通过USB接口供电。为了区分这两种输入电源，本文把由标准化的5 V/1 A AC/DC适配器供电的供电方式称为WALL充电器。把连接电脑的USB口，由 USB口供电的供电方式称为USB充电器。在充电的过程中，主芯片实时检测电池电压、电池温度和充电电流，并根据电池状态对BQ24152的充电参数进行动态调节。

1.2 BQ24152 简介

图1 系统总体方框图

BQ24152是一款专门为锂电池充电的芯片，其正常工作电压范围为4.0 V～6.0 V，正常工作温度范围为0 ℃～125 ℃，充电电压范围为3.5 V～4.44 V，充电电流范围为550 mA～1 250 mA，充电电压调节精度为±0.5%（25 ℃）、±1%（0 ℃～125 ℃），充电电流调节精度为±5%。BQ24152的充电电流、充电电压和充电终止电流都可以通过I2C总线（最高传输速率为3.4 Mbps）可编程控制，可以最大限度地提高电池的充电效率。具有比线性充电器充电速度快、电压电流调节精度高以及与 USB 完全兼容等优点[4]。采用BQ24152充电芯片可以有效延长电池的使用寿命、缩短电池充电时间、提高充电过程的安全性。

2 硬件设计

硬件部分由主芯片电路和BQ24152充电电路组成。硬件原理图如图2。

图2 BQ24152充电硬件原理图

在图2中，Vin为电源输入，Vin为WALL充电器或者USB充电器。主芯片电路中，主芯片通过SCL引脚为BQ24152芯片提供频率为3.4 MHz的时钟，通过STAT引脚和SDA引脚查询充电状态和进行充电参数配置，通过VBAT引脚检测电池电压，通过BAT_FET_N引脚控制Q1的开启与关闭，通过BAT_CHG_N引脚控制Q2的开启与关闭，通过CHG_FET_N引脚控制Q3的开启与关闭，Q1、Q2和Q3的开启与关闭控制着主芯片的供电电源。BQ24152充电芯片电路中，VAUX为1.8 V，VBUS引脚为芯片供电，SW引脚为芯片的输出引脚，CSIN引脚和CSOUT引脚是充电电流的一个反馈回路，内部芯片通过这两点的电压计算充电电流，SDA引脚是充电芯片与主芯片之间进行通信的连接通道，SCL引脚为充电芯片提供时钟，STAT引脚为充电异常的输出引脚，AUXPWR引脚为芯片的接地引脚，R(SNS)= 68 mΩ。

2.1 主芯片电路

主芯片电路的作用是实时检测电池电压、电池温度和充电电流，并根据电池的状态对充电芯片进行编程控制，最终实现对充电过程的控制。

当外接充电器电压在4 V～6 V时，满足充电要求，主芯片开启Q3，关闭Q2，开启Q1，充电器为主芯片供电，充电芯片给电池充电，当外接充电器无法承担主芯片的需求时，主芯片开启Q2，充电器和电池都为主芯片供电。当外接充电器电压不在充电范围之内或者外接充电器不在位时，主芯片关闭Q3，开启Q2，关闭Q3，充电器与充电芯片隔离，电池单独为主芯片供电。

当外接充电器时，主芯片调整BQ24152进入充电模式，对电池进行充电，并根据电池电压、电池温度和充电电流实时调整BQ24152的充电配置，从而达到动态控制电池充电的目的。当外接充电器不在位时，主芯片控制BQ24152进入高阻抗模式，关闭Q1，充电芯片停止对电池充电。

2.2 充电控制电路

充电控制电路对充电状态进行实时反馈，并根据主芯片设置的充电电流、充电电压对锂电池进行充电。充电控制包括输入过压保护控制和充电控制。

输入过压保护控制：当检测到输入电压过高时，BQ24152关闭PWM转换器，设置故障状态位，并向STAT引脚发送脉冲，通知主芯片引脚输入电压为过电压。一旦检测到VBUS引脚电压低于过压阈值，立即清除故障标志位，恢复正常的充电模式。芯片能承受的最高输入电压为20 V，当输入超过20 V时，需要增加额外的过压保护电路。

充电控制：在充电开始阶段，电池电压低于V(SHORT)，充电芯片以较低的充电电流 I(SHORT)对电池充电，当电池电压高于V(SHORT)低于V(OREG）时，充电芯片以较大的充电电流I(OCHARGE)对电池充电，当电池电压高于V(OREG）时，充电芯片以恒定的充电电压V(OCHARGE)对电池进行充电，随着时间的推移，充电电流会不断减小，当充电电流减小到 I(TERM)时，电池充满，充电结束。

3 软件设计

根据电池电压的状态，把充电过程分为：空闲阶段、涓流充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段和满电阶段。在不同的充电阶段，不仅设置了合理的充电电流还增加了弱充电器、坏充电器、坏电池、电池温度过高等异常情况的检测与处理。软件设计的目的是在保证充电安全的基础上，尽量缩短充电时间，提高充电效率。

为了更好地说明整个充电过程，本文用充电状态来表示充电阶段，不同的充电状态表示不同的充电阶段。未考虑异常情况下，电池从低电状态到满电状态的整个充电过程如图3。

图3 正常的电池从低电到满电流图

空闲状态：等待充电的状态，当插入的充电器类型被识立即进入下一充电状态，否则返回空闲状态。

涓流充电状态：以最小的充电电流对电池充电，以弥补电池充满电后由于自放电而造成的容量损失。它的主要作用是提高电池的使用寿命，提高充电过程中的安全性。

恒流充电阶段：以恒定的充电电流对电池进行充电，是整个充电过程中一个比较重要的阶段，此阶段完成了电池从低电状态到接近满电状态的转变，此阶段约完成70%的充电容量[5]。它的主要作用是让电池快速充电，缩短充电时间。

恒压充电阶段：充电芯片以恒定的充电电压对电池充电，充电电流随着电池电压的升高而逐渐降低。它的作用是使充电的安全性和电池的充满度达到最大。

满电状态：标志电池充满的状态，是一个不充电的状态。

各个充电阶段都需要实时监测充电过程的异常，当充电器电压、电池电压、电池温度不满足充电条件时，就进入了异常处理状态。具体的处理方法如图4。

图4 异常状态的处理过程

4 测试结果

选用WALL充电器（5 V/1 A）和USB充电器（5 V/500 mA），额定电压为4.2 V，容量为2 200 mAh的锂电池来验证本设计方案。测试结果如图5和图6。图中，USB代表USB充电器，充电器代表WALL充电器，测试结果分析如表1。

从表1可以看出：无论使用USB充电器还是WALL充电器，测得的充电电流和电池电压跟设计的值十分接近，基本达到设计要求。使用USB充电器时，恒流充电时间占其总充电时间的百分比为73%，使用WALL充电器时，其恒流充电时间减少到USB充电器恒流充电时间的一半，而其恒压充电时间几乎与USB充电器恒压充电时间相同。无论使用何种供电电源，稳定的恒压充电时间保证了充电器将电池电量充满，故USB充电器和WALL充电器充电完成后的实际电池电量分别为2 187 mAh和2 275 mAh，而电池的额定容量为2 200 mAh。可见，即便使用不同的供电电源，本充电器均可以保证电池快速高效地充满电。

图5 USB充电电池电压及充电电流变化曲线图

图6 WALL充电电池电压及充电电流变化曲线图

表1 测试结果分析表

5 结束语

本文旨在提出一种智能化锂电池充电管理的方法，在软硬件的设计上，保证了充电的安全性和可靠性。从测试结果来看，尽管使用的充电器负载能力不同，充电电流波动都比较小，说明整个充电过程安全性好，稳定性高。

[1]毕道治. 21 世纪电池技术展望[J].电池工业，2002，7（3-4）：205- 210.

[2]郑如定．锂离子电池和锂聚合物电池概述[J].通信电源技术，2002（5）.

[3]Patrick Heyer. 先进的锂离子电池系统充电管理和保护[J]. 中国电子商情（基础电子），2011（8）.

[4]Patrick Heyer.Fully Integrated Switch-Mode One-Cell Li-Ion Charger with Full USB Compliance and USB-OTG Support[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/product/cn/bq24152,2010-01-19/2011-11-10.

[5]王 磊. 锂电池充电器芯片的研究与设计[D]. 厦门：厦门大学，2007.