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鋰電池充電電路設計

發(fā)布時間:2021-05-20 責任編輯:lina

【導讀】通常為了提高電池充電時的可靠性和穩(wěn)定性,我們會用電源管理芯片來控制電池充電的電壓與電流,但是在使用電源管理芯片設計充電電路時,我們往往對充電電路每個時間段的工作狀態(tài)及電路設計注意事項存在一些困惑。

通常為了提高電池充電時的可靠性和穩(wěn)定性,我們會用電源管理芯片來控制電池充電的電壓與電流,但是在使用電源管理芯片設計充電電路時,我們往往對充電電路每個時間段的工作狀態(tài)及電路設計注意事項存在一些困惑。
 
1、電池充電方式簡介 
 
理論上為了防止因充電不當而造成電池壽命縮短,我們將電池的充電過程分為四個階段:涓流充電(低壓預充,此狀態(tài)的電池電壓比較低,實際使用時,建議將鋰電池欠壓保護點提高,避免電池出現(xiàn)過放電現(xiàn)象)、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。
 
鋰電池充電電路設計
 
典型的充電方式是:先檢測待充電電池的電壓,在電池電壓較低情況下,先進行預充電,充電電流為設定的最大充電電流的1/10,當電池電壓升到一定值后,進入標準充電過程。標準充電過程為:以最大充電電流進行恒流充電,電池電壓持續(xù)穩(wěn)定上升,當電池電壓升到接近設定的最大電壓時,改為恒壓充電,此時,充電電流逐漸下降,當電流下降至最大充電電流的1/10時,充電結(jié)束。
 
階段1:涓流充電——涓流充電用來先對完全放電的電池單元進行預充(恢復性充電)。在電池電壓低于3V左右時采用涓流充電,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——當電池電壓上升到涓流充電閾值以上時,提高充電電流進行恒流充電。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程逐步升高,一般單節(jié)電池設定的此電壓為3.0-4.2V。
 
階段3:恒壓充電—— 當電池電壓上升到4.2V時,恒流充電結(jié)束,開始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度,隨著充電過程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少,當減小到0.01C時,認為充電終止。(C是以電池標稱容量對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范圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時,持續(xù)充電兩個小時后終止充電過程。
 
鋰電池充電電路設計
 
2、電池充電電路設計注意事項 
 
若設計的充電電路沒有防倒灌保護,將會產(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,充電器沒有移除,電池內(nèi)的電流倒灌至充電電路中,導致電池電量白白損失。且更嚴重的安全隱患是:對于降壓電源芯片來說,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,當電路的輸出端電壓(電池電壓)低于設定值時,芯片F(xiàn)B點電壓相應的也會低于標稱值,芯片開始工作來提高輸出端電壓;由于輸入端電壓幾乎與輸出端相等,對于降壓芯片來說,輸入端無法給輸出端提供能量,導致FB點電壓一直低于標稱值,芯片進入占空比100% 的工作狀態(tài)。此時若是輸入端突然恢復供電,輸入端電源會經(jīng)過已經(jīng)打開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,瞬間會有比較大的電流流過功率管,若此時由于其它不可控的原因?qū)е滦酒茨芗皶r有效做出響應來關閉功率管,這個大電流有可能會使芯片內(nèi)部開關管損壞。因此在設計電池充電電路時,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。但是對于降壓方案,需要對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,我們選擇一個肖特基二極管防止電流倒灌,這是簡單有效的方法。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。
 
鋰電池充電電路設計
 
由于肖特基壓降比較大,會增加系統(tǒng)損耗;為減小防倒灌電路產(chǎn)生的損耗,我們可以采用MOS管來防止電流倒灌,如圖3正常工作時,PMOS管導通,電流經(jīng)過MOS管給鋰電池充電,MOS管功耗較??;當輸入端斷電時,PMOS關斷,起到防止電流倒灌的作用。其中DZ1的選取遵循VOUT<VDZ1 <VIN。
 
鋰電池充電電路設計
 
備注:當輸出端電壓小于8.4V時,電路中DZ2與R6可以省去。
 
充電流程
 
鋰電池充電電路設計
 
手機充電器的工作流程一般為:1. 檢測電池的電壓,如果低于一個閾值電壓,就要進行涓流充電;2. 電池充到一定電壓(一般設置為2.9V)時,進行全電流充電;3. 當電池電壓達到預置電壓(鋰離子電池一般為4.2V)時,開始恒壓充電,同時充電電流降低;4. 當電流逐漸減小到規(guī)定的值時,充電過程結(jié)束。
 
電池電壓低于2.5V(Vshort)時,鋰離子電池充電器用25mA的電流預充,防止深度放電的鋰離子電池在快充時被損壞甚至發(fā)生危險。
 
對于電壓過低的電池需要進行預充,電池電壓低于2.5V(Vshort)時,鋰離子電池充電器用25mA的電流預充,防止深度放電的鋰離子電池在快充時被損壞甚至發(fā)生危險。
 
充電終止檢測除電壓檢測外,還需采用其他的輔助方法作為防止過充的后備措施,如電池溫度監(jiān)測,檢測電池溫度用電池組溫度傳感器連續(xù)檢測電池溫度,當電池溫度超出設定范圍時關閉對電池充電。
 
限定充電時間,為電池提供附加保護。
 
除了上面的流程描述,它還具有自動重新充電、最小電流終止充電等特性。一般來說,恒壓充電結(jié)束時的小電流充電過程中,電流的大小一般為恒流充電時電流的十分之一。目前在鋰離子電池充電器的設計中,對手機充電結(jié)束后由于某種因素放電的情況而專門設計了檢測電路,一旦檢測到電池電壓降低,就會重新啟動充電過程(見上圖)。
 
軟件要做的工作是設置進入快速充電的電壓閾值,進入恒壓充電的電壓閾值,充電超時時間,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),包括電池的類型,電池最高電壓,電池最低電壓,電池當前電壓,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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