单节锂电池线性充电系统的研究与设计

同济大学 梁陈婕

单节锂电池线性充电系统的研究与设计

同济大学 梁陈婕

电源是任何电子产品不可缺少的一部分，在日常生活中具有广泛的应用。锂离子电池作为电源的一种在重量，寿命，自放率，污染等方面比其他的电池有更大的优势，所以锂离子电池得到了更广泛的应用与普及。此款充电器是一款完整的单节锂离子电池，采用恒定电流/恒定电压的线性充电方式。利用充电模式选择比较器C3, 电流放大器CA实现涓流、恒流充电技术。在涓流充电中充电电压升高至2．9V，充电电流达到设定值的1/10。在恒流充电过程中充电电压升高至4．2V，充电电流可以达到1000mA。利用电压放大器VA实现恒压充电技术。在恒压充电过程中，充电的电压保持4．2V不变，充电电流不断减小。当充电电流下降到设定值的1/10时，充电完成。充电终止和再启动比较器C2实现充电终止和再启动功能。充电时C2用作充电终止功能，充电终止后充电终止后C2用作充电再启动功能。利用CHRG和DONE了解充电和充电终止的状态。对整体电路的功能进行Spectre仿真验证了设计的可行性。

锂离子电池充电器；恒流充电；恒压充电；充电终止和再重启

1 锂电池发展的背景

电源是任何电子产品的依靠,产品性能的提高最主要靠电源管理技术的提高,所以电源又从另外一个方面来衡量一个产品的好坏。

目前可充电的电池主要有四类：锂离子电池,镍镉电池,镍氢电池、小密铅电池。通过对这四种电池的比较,锂离子电池具有污染少,体重轻,寿命长等明显的优势,所以更多的人选择锂离子电池。锂离子蓄电池1990年问世以来,得到了快速发展。锂离子现己广泛应川于便携式计算机、移动通信等各领域。

2 充电器的介绍

本文设计了一款完整的单节锂离子电池充电器。充电器采用恒定电流/恒定电压的线性充电方式,在无过热的情况下实现充电速率最大化的热调节功能。此款充电器有高达1000mA的可编程充电电流,精度达到±1%的4.2V 预设充电电压,在C/10时充电自动终止,待机模式下的供电电流达到55uA。本充电器还可以检测电池电量,监控电池的温度并且显示充电状态和故障。本充电器不会有浪涌电流出现,设计中无需额外的MOSFET、检测电阻器或隔离二极管,采用8引脚SOP8-P(SOP--Small Outline PackaGe)的封装方式。

3 锂离子电池充电器系统分析

3.1 锂离子电池充电芯片

芯片通过对温度输入端的电压与电源电压比较来实现温度控制。当输入的电压在45%和80%之间时即满足正常充电的条件。温度监控对电池的温度进行监控,当满足芯片温度大于145度时,才会满足正常的充电条件。欠压闭锁电路对电源电压进行监控, 当没有出现欠压闭锁时才会满足正常的充电条件。

上面的三个基本条件都满足了,电路才开始正常工作。

充电器的充电周期包括：涓流充电,恒流充电,恒压充电,充电终止和再启动。下面对充电器的充电状态作具体分析。

3.2 涓流/恒流充电模块的电路实现

3．2．1 涓流恒流充电技术

C3比较器有一个充电控制电压,设定的充电控制电压为2.9V。当检测到电池电位低于充电控制电压2.9V时,充电器选择涓流充电模式。当检测到电池电压大于2.9V后则自动转为恒流充电模式。

为了实现涓流/恒流充电技术,需要充电模式选择比较器C3和控制电流大小的电路模块CA。C3通过与电池电压电位比较高低来判断充电是处于涓流还是恒流的充电模式。CA根据C3选择的充电模式来控制功率PMOS管的栅极电位,并且按照相应的模式来控制电池的电流。

图1 涓流/恒流充电的整体模块

3．2．2 涓流恒流充电模块

当电路处在涓流/恒流充电过程中,充电比较器C3,电流放大器CA组成充电循环。在涓流/恒流充电过程中, CA的正负端输入电压一直会保持匹配一致。

在涓流充电状态中,C3输出为低电平,CA的负端选择0.1V的,CA的正端为0。正负端的差值变大,CA的输出电压会变大,流过PROG引脚的电流会迅速变大,使CA的正端电压迅速变大到0.1V。CA正负端保持一致,CA输出电压不变。在涓流充电中,充电电流是设定电流得1/10。当处于恒流充电状态中,C3输出为高电平,CA的负端选择1V的电压,CA的正端此时仍保持为0.1V。正负端的差值迅速变大,CA的输出电压也会变大,流过PROG引脚的电流会迅速变大,使CA的正端也变大到1V。此时CA正负端又会保持一致,CA输出电压不变。在恒流充电状态中,充电电流保持设定值不变。

3.3 恒压充电模块的电路实现

3．3．1 恒压充电技术

在恒压状态下,BAT引脚电压达到最终浮充电压,充电电流也开始减小。在恒压充电状态下,充电电压保持不变。锂离子电池充电器对输出电压有较高的精度,所以单节恒定充电电压应在规定值的+1%之间变化。

恒压充电终止的方法是最小充电电流终止。在恒压充电过程中,锂离子电池的充电电流相应的减小,当充电电流减小到恒流充电电流的1/10时,恒压充电状态自动终止。

恒压充电技术需要电压放大器VA和终止比较器C2。VA是对接近满充电电压时控制充电电流相应变小的电路模块。当充电电流下降到恒流充电电流的1/10时,充电终止比较器C2起作用。C2除了用作终止比较器,还会在充电终止后功能转换,检测BAT引脚电位,产生再充电信号。

图2 恒压充电整体模块

3．3．2 电压放大器VA整体模块实现

VA放大器的正端连着电池电压的分压,VA的负端连着参考电压源。当参考电压源的电压大于电池的分压,工作在涓流/恒流工作状态。

参考电压源的电压小于电池电压的分压时,输出的电压变大。输出电压变大,加载在P2的电压变大,所以流过P2的电流变小。同理流过R1,R2的电流都变小。流过VA正端的电压变小,反过来抑制VA正端电压的变大,使VA正端和负端保持匹配一致。

3.4 充电终止和再启动C2整体实现电路

C2连接了充电状态指示器CHRG和DONE。充电状态有：下拉,高阻态。

CHEG和DONE决定了充电的状态,C2的外围电路如图3所示。

图3 C2充电外围电路图

当涓流充电时,反相器一端连着C2的输出,C2输出为低电平。另一段连着C3选择器,C3选择比较器输出为低电平。两个低电平通过一个与非门输出为高电平,所以B点为高电平。B点为高电平,N2导通,CHRG管脚为低电平,充电指示灯亮起,充电器正常充电,此时的比较器为充电终止比较器。C2输出为低电平,N1断开,所以DONE管脚为高电平,DONE不起作用。

恒流充电状态时。C3选择比较器的输出为高电平, C2的输出为低电平。一个高电平与一个低电平通过一个与非门输出为高电平,所以B点为高电平。CHRG 管脚为低电平,充电指示灯亮起,C2为充电终止比较器,且电池工作在恒流充电模式。

恒压充电状态中,切换到VA环路工作,CA环路不工作。C3的输出固定为高电平。此状态下C2的输出为低电平。一个高电平与一个低电平通过一个与非门输出为高电平。同上,充电指示灯亮起,充电器正常工作。

当电池电压接近浮充电压时,充电电流减小。当充电电流小到设定值的1/10时,充电终止。此时C2的输出是高电平,C3的输出固定为高电平。反相器的两个输入端都为高电平,所以与非门输出为低电平,B点为低电平。B点为低电平,N2断开,所以CHRG 管脚为高电平。充电指示灯熄灭,充电停止。C2的输出为高电平,N1导通,DONE管脚为低电平,充电完成指示灯亮起。电路自动切换成自动再启动比较器。由于刚切换过来,C2输出为高电平,C2保持为自动再充电比较器,充电器处于待机模式。

当充电器的电压下降到自动重启门限电压时。此时C2的输出是低电平,C3选择比较器的输出为高电平。一个高电平与一个低电平通过与非门的输出为高电平,所以B点为高电平。B点为高电平,N2导通,CHRG 管脚为低电平,充电指示灯亮起,电路正常充电。C2输出为低电平,N1断开, DONE管脚为高电平,DONE不起作用。充电再次启动。此时C2又切换成充电终止比较器,充电循环再次开始。

4 仿真结果分析

本芯片的设计仿真采用CADENCE公司的SPECTRE进行仿真。锂离子电池充电器是一款数/模混合电路的芯片,本章首先对单元电路进行仿真结果的分析然后对整个充电器电路作仿真并分析仿真结果。

4.1 充电系统的整体分析

外部引脚的电路的原理图如图4所示。

图4 外围引脚的电路原理图

当充电器向电池充电时,CHRG管脚被内部开关拉到低电平,表示充电正在进行。当不充电时,CHRG管脚将处于高电平。在充电结束时,Done管脚被内部开关拉到低电平,充电结束。当充电时,DONE管脚处于高电平。

BAT连接正端电池到管脚。在芯片停机状态或者睡眠状态中,BAT管脚的漏电流小于2uA。在充电工作状态中,BAT管脚向电池提供充电电流和4.2V的限制电压。

图5 仿真结果

PROG管脚连接一个外部电阻到地端可以对充电电流进行编程。当在预充电阶段,PROG 管脚的电压被调制在0.1V。当在恒流充电模式下,PROG管脚的电压被固定在1V。在充电的所有模式下,测量该管脚的电压都可以根据下面的公式来估算充电电流：

PROG 管脚还可以用来关闭充电状态。断开连接地的电阻器并且允许一个3UA的电流使PROG管脚处于高阻状态,此时PROG引脚悬空。充电器会自动进入关机状态,充电停止并且充电电流下降到50ua。重新连接接地将会使充电器正常工作。

4.2 充电系统的整体仿真结果

对图4的BAT,PROG引脚的电压进行仿真,对CHRG和DONE引脚的电压进行仿真,仿真的结果如图5所示。

仿真的结果如图5所示。

第一幅图中有两条曲线。上面的曲线代表BAT的电压走势,BAT的电压走势代表了充电电压的走势。下面曲线代表PROG电压变化状态。涓流充电状态时,保持0.1V的电压不变。根据曲线,M0～M1处于涓流充电状态,此时从2.002V缓慢增长到2.918V。涓流充电完成后,充电电压提高到2.918V,仿真电压的精度达到±0.6%。在恒流充电状态时,保持1V的电压不变。根据曲线,M1～M2处于恒流充电状态,此时从2.918V缓慢增长到4.189V。恒流充电完成后,充电电压提高到最终的电压4.189V,仿真电压的精度达到±0.3%。恒压充电状态时,不断减小,直到减小到0.1V后,充电终止。根据曲线,恒压充电状态时保持浮充电压4.189V不变。

第二幅图是CHRG的曲线图,第三幅图是DONE的曲线图。图中5V电位即表示信号的数字高电平,0V电位则表示数字低电平。在充电状态时,DONE处于高电平,CHRG处于低电平,充电的指示灯亮起。在充电停止时,DONE处于低电平,CHRG处于高电平,充电停止的指示灯亮起。

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