摘要：鋰離子電池由于體積小、重量輕、能量密度高和循環(huán)壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式設備中得到了廣泛的應用，由于鋰離子電池的使用壽命與鋰離子電池充電器的充電方法密切相關(guān)，充電器必須安全、快速、效率高�？紤]到IC的成本，采用CMOS工藝設計了一款具有智能熱調整功能的單片線(xiàn)性鋰離子電池充電器IC,在此設計的線(xiàn)性鋰離子電池充電器IC在恒流/恒壓充電模式的基礎上，增加了涓流充電模式和智能熱調整模式。
鋰離子和鋰聚合物電池具有工作電壓高、無(wú)記憶效應、工作溫度范圍寬、自放電率低及比能量高優(yōu)點(diǎn)。使其能夠較好地滿(mǎn)足便攜式設備對電源小型化、輕量化、長(cháng)工作時(shí)間和長(cháng)循環(huán)壽命以及對環(huán)境無(wú)害等要求，同時(shí)隨著(zhù)鋰離子電池產(chǎn)量的提高，成本的降低，鋰離子電池以其卓越的高性?xún)r(jià)比優(yōu)勢在便攜式設備電源上取得了主導地位，這也使得鋰離子電池充電器得到了巨大的發(fā)展和廣闊的市場(chǎng)。本文設計一款針對單節鋰電池的線(xiàn)性充電器IC.該IC采用涓流-恒流-恒壓三階段充電法對充電過(guò)程進(jìn)行控制。
1 線(xiàn)性鋰離子電池充電器的整體結構設計
圖1所示為本文鋰離子電池充電器的整體功能模塊圖。這些子模塊包括�；鶞孰妷涸�、基準電流源、欠壓閉鎖模塊、恒流充電放大器、恒壓充電放大器、智能熱調整放大器、鉗位放大器、振蕩器、計數器、電池溫度保護模塊、功率管襯底保護模塊、邏輯模塊以及多個(gè)比較器模塊。
考慮芯片的實(shí)際應用，本文設計的鋰離子電池充電器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
�。�1）芯片的溫度保護方面在充電過(guò)程中，當電池的電壓達到涓流充電跳變電壓門(mén)限而進(jìn)入恒流階段時(shí)，恒流階段為大電流充電，由于本文的功率管為PMOS,在負載電池和電源之間只有該功率管，此時(shí)電池電壓較低，芯片功率耗散達到最大。其功率耗散為：
P=（Vcc-VBAT）Icc （1）
大功率耗散將導致芯片的溫度急劇上升，因此設置了一個(gè)智能的熱反饋回路。當芯片溫度上升到熱反饋溫度點(diǎn)105℃時(shí)，啟動(dòng)熱反饋回路，使芯片溫度維持在105℃。當電池電壓進(jìn)一步升高時(shí)，由式（1）可知，功率耗散逐漸降低，在較小的功率耗散下，芯片的溫度會(huì )逐漸降低。此時(shí)退出智能熱調整工作模式，進(jìn)入恒流充電模式，使用大電流Icc對電池充電，或者直接進(jìn)入恒壓充電階段。該熱反饋回路的使用，使充電的速率最大化，同時(shí)用戶(hù)無(wú)需擔心芯片的溫度過(guò)高。
�。�2）成本方面。本文介紹的芯片采用CMOS工藝設計，成本低，工藝易于實(shí)現。
�。�3）與用戶(hù)的交互式管理方面。芯片提供了多個(gè)外部用戶(hù)編程引腳以方便用戶(hù)對芯片的管理和使用。在充電電流的控制方面，用戶(hù)可以通過(guò)連接1只電阻至芯片一個(gè)引腳對充電電流進(jìn)行編程；在充電最終電壓的控制方面，用戶(hù)可通過(guò)將芯片的一個(gè)引腳接高電平或低電平來(lái)設置最終充電電壓為4.1 V或4.z V,以適應對使用不同的負極材料的鋰離子電池進(jìn)行充電；在充電時(shí)間的控制上，用戶(hù)可通過(guò)連接1只電容至芯片1個(gè)引腳對充電時(shí)間進(jìn)行編程，滿(mǎn)足用戶(hù)不同的充電時(shí)間要求。芯片設計預計達到的特性和參數見(jiàn)表1.
芯片引腳的外部連接如圖2所示。在圖2中，CHRG,FAULT,ACPR三引腳分別與一個(gè)1 kΩ的電阻以及一個(gè)發(fā)光二極管相連，用于指示芯片的充電狀態(tài)；4.7μF電容為電源Vcc的旁路電容，在電池BAT引腳處接有一個(gè)ESR為1 Ω的1 μF旁路電容，用于在沒(méi)有電池時(shí)，將紋波電壓保持在低水平。NTC引腳處，一個(gè)10 kΩ的負溫度系數的電阻RNTC與4 kΩ電阻相串連，將RNTC上的分壓作為NTC引腳的輸入。
2 線(xiàn)性鋰離子電池充電器的整體仿真結果
仿真中，為縮短仿真時(shí)間，將電池等效為一個(gè)大電容CBAT,其等效串連電阻為RESR.2為對預設定的充電器芯片特性參數表仿真后得到的結果。
2.1 電器充電過(guò)程波形圖
圖3~圖5是充電器的充電過(guò)程在不同的條件下仿真得到的結果。為縮短仿真時(shí)間，電池預設的電壓為2.3 V,以便充電過(guò)程能夠迅速地由涓流充電模式過(guò)渡到恒流充電模式。
在仿真中，RPROG的值設置為3 kΩ，涓流充電電流為50 mA,恒流充電電流為500mA;SEL引腳接地電位，電池的最終充電電壓為4.1V.由圖3~圖5中可以知，在各種工作條件下，充電器都能正常工作。在圖4中充電的過(guò)程與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)中，當溫度為125℃時(shí)，充電電流為零，這是由于芯片中的智能熱調整溫度Tc是105℃，智能熱調整電路正常運行使芯片的充電電流在125℃時(shí)降至零，電池的電壓一直維持在2.3 V.
2.2 充電器充電電流和智能熱調整波形圖
充電器充電電流和智能熱調整波形圖如圖6所示。由圖7可知，當芯片的溫度達到105℃附近時(shí)，智能熱調整電路自動(dòng)啟動(dòng)，減小充電電流。以降低芯片的功耗。
2.3 最壞情況下電池最終充電電壓仿真數據
為確保即使在最壞情況下，鋰離子電池最終充電電壓達到要求，對全電路進(jìn)行了電阻的所有corner RES_TT,RES_FF,RES_SS與MOSFET的所有cornerTT,FF,FS,SF,SS的交叉仿真，仿真后得到如表2和表3所示的電池最終充電電壓的典型情況與最差情況。其中，表3是在基準電壓2.485 V未進(jìn)行微調情況下仿真得到的結果，表4是在對基準電壓2.485 V微調后得到的仿真結果。
由表2、表3的仿真結果可知電池的最終充電電壓的仿真結果符合設計要求其精度如下：
�。�1）VREF微調后，SEL=0或Vcc時(shí)，VBAT可控制在4.1 V或4.2（1±0.4%）V.
�。�2）VREF不進(jìn)行微調時(shí)，SEL=0或VCC時(shí)，VBAT可控制在4.1 V或4.2（1±0.8%）V.
3 結論
該芯片具有充電速度快、對電池保護功能強、低成本等特點(diǎn)，是較為實(shí)用的智能化鋰電池充電器芯片。 |
