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鋰電池充電電路設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2021-05-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】通常為了提高電池充電時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性,我們會(huì)用電源管理芯片來(lái)控制電池充電的電壓與電流,但是在使用電源管理芯片設(shè)計(jì)充電電路時(shí),我們往往對(duì)充電電路每個(gè)時(shí)間段的工作狀態(tài)及電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)存在一些困惑。

通常為了提高電池充電時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性,我們會(huì)用電源管理芯片來(lái)控制電池充電的電壓與電流,但是在使用電源管理芯片設(shè)計(jì)充電電路時(shí),我們往往對(duì)充電電路每個(gè)時(shí)間段的工作狀態(tài)及電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)存在一些困惑。
 
1、電池充電方式簡(jiǎn)介 
 
理論上為了防止因充電不當(dāng)而造成電池壽命縮短,我們將電池的充電過(guò)程分為四個(gè)階段:涓流充電(低壓預(yù)充,此狀態(tài)的電池電壓比較低,實(shí)際使用時(shí),建議將鋰電池欠壓保護(hù)點(diǎn)提高,避免電池出現(xiàn)過(guò)放電現(xiàn)象)、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。
 
鋰電池充電電路設(shè)計(jì)
 
典型的充電方式是:先檢測(cè)待充電電池的電壓,在電池電壓較低情況下,先進(jìn)行預(yù)充電,充電電流為設(shè)定的最大充電電流的1/10,當(dāng)電池電壓升到一定值后,進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程為:以最大充電電流進(jìn)行恒流充電,電池電壓持續(xù)穩(wěn)定上升,當(dāng)電池電壓升到接近設(shè)定的最大電壓時(shí),改為恒壓充電,此時(shí),充電電流逐漸下降,當(dāng)電流下降至最大充電電流的1/10時(shí),充電結(jié)束。
 
階段1:涓流充電——涓流充電用來(lái)先對(duì)完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充(恢復(fù)性充電)。在電池電壓低于3V左右時(shí)采用涓流充電,涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一即0.1c(以恒定充電電流為1A舉例,則涓流充電電流為100mA)。
 
階段2:恒流充電——當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時(shí),提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。電池電壓隨著恒流充電過(guò)程逐步升高,一般單節(jié)電池設(shè)定的此電壓為3.0-4.2V。
 
階段3:恒壓充電—— 當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí),恒流充電結(jié)束,開(kāi)始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度,隨著充電過(guò)程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少,當(dāng)減小到0.01C時(shí),認(rèn)為充電終止。(C是以電池標(biāo)稱(chēng)容量對(duì)照電流的一種表示方法,如電池是1000mAh的容量,1C就是充電電流1000mA。) 
 
階段4:充電終止——有兩種典型的充電終止方法:采用最小充電電流判斷或采用定時(shí)器(或者兩者的結(jié)合)。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流,并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時(shí)終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開(kāi)始時(shí)計(jì)時(shí),持續(xù)充電兩個(gè)小時(shí)后終止充電過(guò)程。
 
鋰電池充電電路設(shè)計(jì)
 
2、電池充電電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 
 
若設(shè)計(jì)的充電電路沒(méi)有防倒灌保護(hù),將會(huì)產(chǎn)生許多危害。以輸出端接2節(jié)鋰電池串聯(lián)為例,若僅將電源去除,充電器沒(méi)有移除,電池內(nèi)的電流倒灌至充電電路中,導(dǎo)致電池電量白白損失。且更嚴(yán)重的安全隱患是:對(duì)于降壓電源芯片來(lái)說(shuō),電池電流從輸出端,經(jīng)芯片內(nèi)部功率管寄生的二極管倒灌至芯片的VIN端,當(dāng)電路的輸出端電壓(電池電壓)低于設(shè)定值時(shí),芯片F(xiàn)B點(diǎn)電壓相應(yīng)的也會(huì)低于標(biāo)稱(chēng)值,芯片開(kāi)始工作來(lái)提高輸出端電壓;由于輸入端電壓幾乎與輸出端相等,對(duì)于降壓芯片來(lái)說(shuō),輸入端無(wú)法給輸出端提供能量,導(dǎo)致FB點(diǎn)電壓一直低于標(biāo)稱(chēng)值,芯片進(jìn)入占空比100% 的工作狀態(tài)。此時(shí)若是輸入端突然恢復(fù)供電,輸入端電源會(huì)經(jīng)過(guò)已經(jīng)打開(kāi)的功率管直接把能量輸送到輸出端,由于輸入輸出存在壓差,瞬間會(huì)有比較大的電流流過(guò)功率管,若此時(shí)由于其它不可控的原因?qū)е滦酒茨芗皶r(shí)有效做出響應(yīng)來(lái)關(guān)閉功率管,這個(gè)大電流有可能會(huì)使芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)管損壞。因此在設(shè)計(jì)電池充電電路時(shí),我們需要添加防倒灌的措施。
 
升壓方案由于續(xù)流二極管可以起到防倒灌的作用,所以一般不外加防倒灌措施。但是對(duì)于降壓方案,需要對(duì)電池充電電路添加防倒灌措施。
 
以XL4301鋰電池充電電路為例,如圖2、圖3所示(紅色虛線框中為防電流倒灌電路)。輸入12V,輸出接單節(jié)鋰電池(3.1V-4.3V),最大充電電流0.8A;其中最大充電電流 IOUT=VCS/RCS=0.11/0.137≈0.803A,最大充電電壓 VOUT=VFB*(1+R2/R1)=1.25*(1+7.87/3.3)≈4.231V。
 
圖2電路中,我們選擇一個(gè)肖特基二極管防止電流倒灌,這是簡(jiǎn)單有效的方法。為降低肖特基D2溫度,選用的肖特基電流能力是充電電流2倍以上。
 
鋰電池充電電路設(shè)計(jì)
 
由于肖特基壓降比較大,會(huì)增加系統(tǒng)損耗;為減小防倒灌電路產(chǎn)生的損耗,我們可以采用MOS管來(lái)防止電流倒灌,如圖3正常工作時(shí),PMOS管導(dǎo)通,電流經(jīng)過(guò)MOS管給鋰電池充電,MOS管功耗較小;當(dāng)輸入端斷電時(shí),PMOS關(guān)斷,起到防止電流倒灌的作用。其中DZ1的選取遵循VOUT<VDZ1 <VIN。
 
鋰電池充電電路設(shè)計(jì)
 
備注:當(dāng)輸出端電壓小于8.4V時(shí),電路中DZ2與R6可以省去。
 
充電流程
 
鋰電池充電電路設(shè)計(jì)
 
手機(jī)充電器的工作流程一般為:1. 檢測(cè)電池的電壓,如果低于一個(gè)閾值電壓,就要進(jìn)行涓流充電;2. 電池充到一定電壓(一般設(shè)置為2.9V)時(shí),進(jìn)行全電流充電;3. 當(dāng)電池電壓達(dá)到預(yù)置電壓(鋰離子電池一般為4.2V)時(shí),開(kāi)始恒壓充電,同時(shí)充電電流降低;4. 當(dāng)電流逐漸減小到規(guī)定的值時(shí),充電過(guò)程結(jié)束。
 
電池電壓低于2.5V(Vshort)時(shí),鋰離子電池充電器用25mA的電流預(yù)充,防止深度放電的鋰離子電池在快充時(shí)被損壞甚至發(fā)生危險(xiǎn)。
 
對(duì)于電壓過(guò)低的電池需要進(jìn)行預(yù)充,電池電壓低于2.5V(Vshort)時(shí),鋰離子電池充電器用25mA的電流預(yù)充,防止深度放電的鋰離子電池在快充時(shí)被損壞甚至發(fā)生危險(xiǎn)。
 
充電終止檢測(cè)除電壓檢測(cè)外,還需采用其他的輔助方法作為防止過(guò)充的后備措施,如電池溫度監(jiān)測(cè),檢測(cè)電池溫度用電池組溫度傳感器連續(xù)檢測(cè)電池溫度,當(dāng)電池溫度超出設(shè)定范圍時(shí)關(guān)閉對(duì)電池充電。
 
限定充電時(shí)間,為電池提供附加保護(hù)。
 
除了上面的流程描述,它還具有自動(dòng)重新充電、最小電流終止充電等特性。一般來(lái)說(shuō),恒壓充電結(jié)束時(shí)的小電流充電過(guò)程中,電流的大小一般為恒流充電時(shí)電流的十分之一。目前在鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)中,對(duì)手機(jī)充電結(jié)束后由于某種因素放電的情況而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了檢測(cè)電路,一旦檢測(cè)到電池電壓降低,就會(huì)重新啟動(dòng)充電過(guò)程(見(jiàn)上圖)。
 
軟件要做的工作是設(shè)置進(jìn)入快速充電的電壓閾值,進(jìn)入恒壓充電的電壓閾值,充電超時(shí)時(shí)間,恒流充電的電流值,恒壓充電的電壓值,充電結(jié)束的電流閾值,中斷處理,提供sys接口給上層都充電的狀態(tài),包括電池的類(lèi)型,電池最高電壓,電池最低電壓,電池當(dāng)前電壓,電池電量的百分比,電池的狀態(tài),充電電流和電池溫度等等。
 
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