《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型高性能鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)方案
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摘要:  鋰離子電池因具有體積小、重量輕與能量密度高等優(yōu)勢(shì),所以在GSM/CDMA和高端便攜式產(chǎn)品(如數(shù)字相機(jī)、攝像機(jī)等)中被廣泛應(yīng)用。鋰離子電池在使用中為避免過(guò)充電、過(guò)放電對(duì)其造成的損害,而對(duì)保護(hù)電路要求較高。從而要求鋰電池充電器具有嚴(yán)格與完善的安全保護(hù)特性。
Abstract:
Key words :

 

1  引言

  鋰離子電池因具有體積小、重量輕與能量密度高等優(yōu)勢(shì),所以在GSM/CDMA和高端便攜式產(chǎn)品(如數(shù)字相機(jī)、攝像機(jī)等)中被廣泛應(yīng)用。鋰離子電池在使用中為避免過(guò)充電、過(guò)放電對(duì)其造成的損害,而對(duì)保護(hù)電路要求較高。從而要求鋰電池充電器具有嚴(yán)格與完善的安全保護(hù)特性。

  為此,應(yīng)用新型的DS2770和DS2720芯片可以設(shè)計(jì)一個(gè)具有充電控制、電源控制、電量計(jì)數(shù)、電池保護(hù)、計(jì)時(shí)和對(duì)電池組能識(shí)別等功能的高性能鋰電池充電器,其原理圖如圖1所示。它可替代目前市場(chǎng)上已有的鋰電池保護(hù)/充電控制電路(充電器)。

2  充電組合電路(充電器)的組成

  2.1  電路組成

  如圖1所示,整個(gè)組合電路由DS2770充電控制器/電量計(jì)、DS2720電池保護(hù)器、DS2415實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)三個(gè)芯片組成。它們均公用一個(gè)地 (VSS或Gnd)、電源(Vdd)和通信線(DQ或DATA)。而所有的電容(從C1到C10)和電阻(從R1到R12)的作用是對(duì)干擾信號(hào)濾波及對(duì)ESD(靜電放電)的保護(hù)。

圖1  新 型 高 性 能 鋰 離 子 電 池 充 電 器 設(shè) 計(jì) 方 案 圖

  該充電器的負(fù)載(即主設(shè)備)是通過(guò)PACK+和PACK-引腳獲得電源的,而充電器與主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的l-Wire接口(標(biāo)為DATA)進(jìn)行。DS2720芯片的的PS引腳和主系統(tǒng)的開(kāi)/關(guān)控制相連接,且作充電器的使能輸入(低電平有效)。圖1中引腳Charge source可連接到充電電源,而充電電流能按照電池額定的充電條件加以限制,其充電電壓最高至15V。

  整個(gè)充電器在工作模式下消耗不足100μA的典型電流,而處于靜止?fàn)顟B(tài)(即鋰電池不處于充電狀態(tài))時(shí)典型消耗電流不到20μA。

  2.2  DS2770芯片功能與特點(diǎn)

  DS2770是一款集成了電池電量計(jì)量和鋰離子或鎳基電池充電控制器的新型芯片,其框圖如圖2所示。它還包含一個(gè)可選擇的25mΩ檢測(cè)電阻,用來(lái)實(shí)現(xiàn)充電電流測(cè)量。內(nèi)置的測(cè)量電路能檢測(cè)電壓和溫度值,作為充電終止的判據(jù)和安全充電環(huán)境的判據(jù)。所有測(cè)量結(jié)果保存在16字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)器中,它的40字節(jié)的EEPROM留給用戶使用。與主系統(tǒng)所有信息交換都通過(guò)它的標(biāo)準(zhǔn)的l-Wire通信接口實(shí)現(xiàn)。該芯片為低功耗,工作狀態(tài)耗電僅為80μA,靜態(tài)消耗電流為0.5μA。

圖2  DS2770框圖

  DS2770引腳及其功能如下:

  UV    當(dāng)電池電壓檢測(cè)為低值時(shí)的輸出端,其低電平有效;

  CC    充電控制輸出,其低電平有效;

  Vch    充電電壓輸入;

  SNS    電流撿測(cè)電阻連接端;

  Vdd    芯片電源端;

  Vss    地端;

  DATA    數(shù)據(jù)輸入/輸出端;

  LS1與LS2    電流檢測(cè)輸入端;

  Vin    電池電壓檢測(cè)輸入。

3  充電組合電路的保護(hù)特性

  如圖1所示,應(yīng)用外接的二只N溝道MOSFET(IRF840)Vp3與Vp4和DS2720芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單體鋰離子或鋰聚合物電池安全保護(hù),即可以達(dá)到保護(hù)電池免受過(guò)量充電、過(guò)量消耗、過(guò)高放電電流以及過(guò)高溫度損害等。DS2720具有涓流充電功能,可恢復(fù)已深度放電的電池。用主系統(tǒng)軟件還能夠通過(guò)DS2720與DS2770芯片的引腳DQ檢測(cè)到電池產(chǎn)生故障的原因并由主系統(tǒng)向用戶匯報(bào)。

  需要指出的是MOSFET管被接在了充電組合電路的高端,位于充電電源和鋰離子電池正端之間。為確保其數(shù)據(jù)在發(fā)生保護(hù)性故障或當(dāng)充電組合電路處于休眠模式時(shí)不丟失,最好由鋰離子或鋰聚合物電池直接給DS2770和DS2415供電。否則的話,當(dāng)MOSFET被關(guān)掉時(shí)數(shù)據(jù)將丟失。該DS2720芯片為低功耗,工作狀態(tài)耗電僅為12.5μA,靜態(tài)消耗電流為1.5μA。

  DS2720引腳及其功能如下:

  PLS    電池組的正端輸入;

  PS    系統(tǒng)(功率)開(kāi)關(guān)檢測(cè)輸入,低電平有效;

  DQ    數(shù)據(jù)輸入/輸出;

  CP    電量?jī)?chǔ)存容量;

  CC    充電控制輸入;

  DC    放電控制輸出。

4  充電與控制

  DS2770的功能之一是利用簡(jiǎn)單的限流型電源給電池充電,通過(guò)控制外部PNP晶體管Vp1(FMMT718型)和Vp2(4403型),DS2770能以恒定電流給鋰離子或鋰聚合物基的電池組進(jìn)行均充電,直到電壓上升到工廠設(shè)定的4.1V或4.2V限值。然后,它以脈沖充電方式注滿電池。

  DS2770還提供了一個(gè)輔助的充電終止控制,即當(dāng)電池溫度超過(guò)+50℃或電池的充電時(shí)間超過(guò)用戶設(shè)定的最大充電時(shí)間時(shí)均能終止充電。要啟動(dòng)充電,只需接個(gè)限流型電源(最高15V)到Charge source端即可。

5  充電電量計(jì)數(shù)

  DS2770也可用作一個(gè)高精度電量計(jì)。電流測(cè)量通過(guò)一個(gè)內(nèi)部的25mΩ檢測(cè)電阻實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖2),其最低分辨率為62.5μA,動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)±2A的平均電流。

  在GSM/CDMA應(yīng)用中,DS2770可十分容易地跟蹤放電電流,它內(nèi)部的自動(dòng)補(bǔ)償功能可在芯片整個(gè)工作范圍之內(nèi)保持測(cè)量的精確度,并能對(duì)所累加的電流、電壓和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,再加上保存于DS2770內(nèi)EEPROM的電池特性數(shù)據(jù),使得主系統(tǒng)處理器能夠精確計(jì)算出電量,同時(shí)僅消耗很少的系統(tǒng)資源。由于DS2770直接由電池驅(qū)動(dòng),電量計(jì)數(shù)信息在電池組被拿開(kāi)或由于保護(hù)性故障電源失效時(shí)不會(huì)被丟失。

6  實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC

  DS2415為主系統(tǒng)提供了一個(gè)精度達(dá)2分鐘/月的RTC。它需要一個(gè)32.768kHz/6pF的外部晶體連接到DS2415的引腳Xl和X2。由于DS2415直接由電池供電,這種結(jié)構(gòu)是其它充電器電路所沒(méi)有的。而將DS2415時(shí)鐘置于MOSFET管的內(nèi)側(cè),可以為主系統(tǒng)提供一個(gè)高精度保障的時(shí)鐘,甚至當(dāng)主系統(tǒng)電源失去時(shí)也可以保持正確的時(shí)間信息,免去了在主系統(tǒng)中增加超級(jí)電容或紐扣電池作為備用電源的麻煩。

  DS2415引腳功能如下:

  Vbat    電源輸入腳2.5~5.5V。

7  電池組信息的保存

  DS2770含有40字節(jié)的EEPROM留給用戶訪問(wèn),而DS2720又額外增加了8個(gè)字節(jié)。電池組制造商可以利用這些空間保存相關(guān)的電池組信息,例如電池化學(xué)類型,組裝日期,用于電量計(jì)數(shù)的電池特有信息等,一旦寫(xiě)入EEPROM將永久鎖定,甚至于當(dāng)主系統(tǒng)電源丟失和ESD事件發(fā)生時(shí)仍能保證數(shù)據(jù)的完整性。此外,每個(gè)芯片具有一個(gè)唯一的64位序列碼,以便于讓主系統(tǒng)或充電器識(shí)別。

8  結(jié)語(yǔ)

  按此方案實(shí)施的高性能鋰電池充電組合電路(充電器)具有較高的性能價(jià)格比,即功能優(yōu)異而成本低廉。

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