手机锂离子电池充电电路的设计与实现

刘耀义

摘 要：锂离子电池是当前手机电池的首选，但由于其相对脆弱的特性，使其对充电电路的要求较高。本文分析了手机锂离子电池参数的选择，对锂离子电池出厂时电量的设置进行了介绍，并分析介绍了手机锂离子电池的充电电路设计与实现，该设计方案具有良好的使用价值。

关键词：手机；锂离子电池；充电电路

0 引言

随着科学技术的快速发展，便捷式应用也取得了迅速的发展，并得到了普及，这对电池的性能也提出了更高的要求。在可充电电池中，锂离子电池以其能量密度高、使用寿命长、放电电压高以及无记忆效应等优点成为了手机电池的首选。然而，由于过充电和高温会对锂离子电池造成极大的损坏。因此，研究锂离子电池充电电路的设计与实现具有重要的现实意义。

1 电池参数选择

1.1 电池参数

锂离子电池目前有液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLB）两类。其中，液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物-钴酸锂、锰酸锂，负极采用锂-碳层间化合物。锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、自放电小、循环寿命长，是21世纪发展的理想能源载体。

1992年Sony成功开发出锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备重量和体积大大减小，使用时间大大延长。由于锂离子电池中不含有重金属镉，与镍镉电池相比，大大减少了对环境的污染。合理的锂离子电池选择，对便携式电子设备发挥性能提到至关重要的作用。

1.2 电池保护板参数

成品锂电池组成主要有两大部分，锂电池电芯和保护板，锂电池电芯由正极板、隔膜、负极板、电解液等组成。正极板、隔膜、负极板缠绕或层叠，包装，灌注电解液，封装后即成电芯。锂电池保护板，顾名思义就是保护锂电池用的，锂电池保护板的作用是保护电池不过放、不过充、不过流，还有就是输出短路保护。

当电池供电电流过大， 超出其额定功率，电池会产生较高的热量， 致使本身温度过高， 有爆炸的危险。所以此时保护电路应该关闭电池供电， 执行过流保护功能。至于保护时电流的大小， 则根据电池的额定功率和负载的大小加以设定。

2 出厂时电池电量设置

移动终端从工厂出厂到消费者手中往往需要一定时间，比如2个月或者更长时间（国内生产国外销售或国外生产国内销售等）。为了满足到消费者手中，电池不会出现过放保护一旦接入电源可以及时充起电池或开机。如下以手机出厂时保持电量50～55%为例：

关机漏电流120μA，放置两个月，损耗电量为：0.12mA*24H*60=172.8mAh。

同时，电池本身存在自耗电，约一天为1mV，放置两个月，损耗即为：0.06V。

以2500mAh电池容量为理论计算：

要使得电量保持在50%～55%，即剩余电量为2500mAh*50%～55%=1250～1375mAh，根据电池的ZCV（Zero Current Voltage）放电曲线可知，电压点为：3.74～3.76V。

在此基础上，再与以上损耗掉的进行向上累加，1250～1375mAh加上172.8mAh，则为1422～1547mAh，此电压点为：3.77～3.80V。

再加上0.06V电芯的自耗电，即为：3.83～3.86V。

因此，根据以上理论计算，而一般电池出厂时的电压为3.92～3.98V，本身可以满足出货需求。但是在生产组装和测试环节，本身会耗一部分电池电量，尤其在功能测试阶段耗电量较大。这样就需要在工厂生产线增加工序做再充电操作（备注：以上充放电计算按照ZCV放电曲线所得，与其他计算方式可能存在一定偏差）。

采用出厂时提高手机电池电量，电池可以维护较长的时间。根据手机关机时由整机漏电流与电池自耗电两部分组成，Fairchild或Will半导体公司开发出可配置负载开关和复位定时器芯片（Configurable Reset Timer with Integrated Load Switch）。采用此芯片手机在出厂前可关断该芯片输出，此时这个系统的漏电流仅为0.2μA（芯片本身），最大也仅为1μA，极大的延长电池待机时间，手机出厂3～4个月后不会出现过放的情况。终端用户按开关机按键或充电器插入，可以打开芯片内部Mosfet进入正常的应用场景。锂电池的充电过程大致分为快充与慢充两个阶段。在锂电池快充的过程中充电电流恒定，且随着充电的进行，电压也逐渐增加，最终进入了电压恒定，充电速率减慢的第二阶段充电过程，且整个过程中随着电池充电量的增多，电压也会随着其电池电量的增加最终减少到0，完成充电。

3 充电电路分析和介绍

当便携式设备长久不用或者工厂出货至终端消费者周期交期，仍然会面临电池电量逐渐耗尽使得电池进入过放保护状态。此状态是无法避免或者回避，当电池可拆卸，尤其是功能机时代，通常采用外部电源来激活进行再次充电使用。但对内置电池方案，由于电池固定在整机内部不可拆卸，此时就需要充电方式来激活或者把电池充起。

不同设备的充电电路区别很大，例如有的采用硬件充电芯片去控制整个充电过程；有的手机采用分立元件，用软件控制充电流程。有些平台芯片内部集成充电功能电路，有些平台考虑温升和效率等方面，需要外部专门充电电路，PMIC（电源管理芯片）作为充电检测等。不管这些实现方案是如何构建，其实状态控制控制过程都是基于负反馈原理。

下面基于MT6582手机平台，充电过程如图1所示。

3.1 线性充电电路设计

在MTK平台方案中，具有DDLO（Deep discharge lockout）功能。当电池电压低于2.5V，PMIC进入深度放电锁止功能，此时VRTC的LDO被关闭。否则，VRTC将要从电池吸取电量，此DDLO功能可以防止电池进一步放电或者对电芯产生损坏。

（1）预充电模式

当电池电压处于UVLO（Under-voltage lockout）阶段，当充电器插入时进入预充电模式。此模式下可以分成两个阶段：

当电池电压低于2.2V（深度放电），以70mA/550ms脉冲小电流来对电池充电；

当电池电压高于2.2V，例如Pre-CC1阶段，此时采用闭环预充电模式，通过保持RSENSE上电压电位差为60mV（AC充电）或14mV（USB host），可以计算出闭环预充电电流大小：

当RSENSE=0.2Ω，可以计算出此阶段充电电流为70mA或300mA，直至电池电压升至3.3V为止。假如电池过放，为了保护电池充电，采取涓流充电（IUNIT）和两个专用定时器来保护充电行为（BC1.1Dead-Battery Support）。

如果电池电压总是低于2.7V，一个5分钟的定时器结束和停止充电；

如果电池电压保持在2.7～3.3V之间，另一个35分钟定时器结束和停止充电行为。

（2）恒流（Constant current）模式

此阶段通过PMIC内部的负反馈网络，保证（ISENSEBATSNS）电压恒定。此时充电电流为：

3）恒压（Constant voltage）模式

此阶段通过PMIC内部的负反馈网络，保证BATSNS电压恒定。

在恒流阶段的前半段，VBAT较低，VBUS与VBAT压差较大。BJT或mos管和RSENSE电阻上发热大，软件控制充9秒停1秒，停一秒为了散热。因此，就有了“pulse charge”的名称。

由于线性充电方式具有成本低、设计简单优点但发热量大，效率偏低，充电电流较小等缺点，在一些高端产品中逐渐采用开关充电模式来增强用户体现效果。

3.2 开关充电电路设计

以BQ2415x系列芯片作为开关充电方式（switching charge）为例：

CBOOT主要是来当作charge pump（电荷泵）使用的，由下面方框图2可以看出Q2为NMOS管，N-MOS要导通需要Vgs>Vth，但是目前N-MOS放在high side（高电位），Vgs无法大于Vth。所以需要使用CBOOT当Charge pump，将电压升压大于Vbus+Vth，才能打开Q2。由于一般电容的误差相对较大，10nF的电容可能部分不能使N-MOS导通导致无法充电。因此可以更改为33nF电容加大电荷，以避免电容偏小导致升压不足隐患。

以BQ25153A/8芯片OTG控制脚介绍：

此对带OTG（On-The-Go）功能的项目尤其关键，USBOTG功能可以采用GPIO或I2C来控制。当OTG Pin为高电平时，通过I2C解除限流前限流为500mA；当OTG Pin为低电平时，通过I2C解除限流前限流为100mA，预充电电流小加上15分钟定时模式，存在不能满足下载程序电流要求或无法激活电池隐患。因此，OTG功能尽量采用I2C控制，此OTG通过10kΩ电阻上拉至VREF，保持高电平。

3.3 路径管理充电电路设计

根据线性与开关充电电路介绍，通过电池参数合理选择、预充电电流提高或软件优化方案等来解决电池过放激活问题。当电池过放后插入充电器，仍然需要5-8分钟的时间才能唤醒系统，直接带来错觉是手机存在不能充电故障。更糟糕的是，此时你恰好需要使用此设备。带路径管理充电方案通过把充电电流分成充电部分与系统部分，这样就较好的解决此问题。

4 结语

综上所述，锂离子电池是手机的一个重要组成部件，其充电电路的设计关系到电池的使用性能及使用寿命，并对手机的正常、安全使用具有十分重要的影响。因此，相关设计人员在设计电池充电电路时，要考虑周全，保证锂离子电池的正常使用。本文对锂离子电池充电电路进行了设计，该设计方案具有良好的使用效果，可供类似电池充电电路设计参考借鉴。

参考文献

[1]黎夏，徐军明.基于单片机的锂离子电池多用途电路设计[J].机电工程.2014（01）.

[2]孔淑苗.智能穿戴设备锂离子电池充电管理设计[J].电子技术.2016（02）.