隨著(zhù)現代電子技術(shù)的發(fā)展，電子設備日益趨于便攜化、多功能化，因此也對它們的供電電池提出了輕便、高效的要求。鋰離子電池以其能量密度高、充放電性能優(yōu)異、無(wú)污染等特點(diǎn)逐漸取代傳統的鎳鎘、鎳氫電池、鉛酸電池被廣泛應用于現代便攜式電子產(chǎn)品中。
相對于其他類(lèi)型電池，鋰離子電池在性能優(yōu)異的同時(shí)也對充電器提出了更高的要求，這些要求主要體現在充電過(guò)程的控制和鋰電池保護方面，具體表現為較大的充電電流、高精度的充電電壓、分階段的充電模式和完善的保護電路等。
本文討論使用大電流鋰離子電池充電芯片SE9018設計鋰離子電池線(xiàn)性充電方案。
芯片介紹
SE9018是一款恒流/恒壓模式的鋰離子電池線(xiàn)性充電芯片，采用內部PMOSFET架構，并集成有防倒充電路，不需要外部隔離二極管。
芯片預設充飽電壓為4.2V，精度為±1.5%，充電電流可通過(guò)外部電阻進(jìn)行設置，最大持續充電電流可達1A。當芯片由于工作功率大、環(huán)境溫度高或PCB散熱性能差等原因導致結溫高于140℃時(shí)，內部熱反饋電路會(huì )自動(dòng)減小充電電流，將芯片溫度控制在安全范圍之內。為使芯片能夠維持高效工作狀態(tài)，應采取措施盡量降低芯片工作功率和芯片溫度，例如輸入端串聯(lián)小電阻(降低輸入電壓)、增大PCB散熱銅箔面積、使芯片散熱片與PCB銅箔充分接觸等。
圖1 SE9018腳位圖
圖2 SE9018原理圖
SE9018內部集成電池溫度監測電路，當電池溫度超出正常范圍(過(guò)高或過(guò)低)時(shí)，芯片自動(dòng)停止充電過(guò)程，防止電池因為溫度過(guò)高或過(guò)低而損傷。
電池溫度監測是通過(guò)判斷TEMP端電壓(VTEMP)實(shí)現的，VTEMP由一個(gè)包括電池內部NTC熱敏電阻在內的電阻分壓網(wǎng)絡(luò )提供。
當VTEMP處于45%×VCC與80%×VCC之間時(shí)，芯片判斷電池溫度處于正常范圍內；當VTEMP < 45%×VCC或VTEMP > 80%×VCC時(shí)，芯片判斷電池溫度過(guò)高或過(guò)低；當TEMP端接地時(shí)，電池溫度監測功能被禁用。
SE9018包含兩個(gè)漏極開(kāi)路的狀態(tài)指示輸出端CHRG和STDBY，當電路處于充電狀態(tài)時(shí)，CHRG端置低電平，STDBY端為高阻態(tài)；當電池充飽時(shí)，CHRG端變?yōu)楦咦钁B(tài)，STDBY端置低電平。當電池溫度監測功能正常使用時(shí)，如果芯片未連接電池或電池溫度超出正常范圍，CHRG端和STDBY端均為高阻態(tài)；當電池溫度監測功能被禁用時(shí)，如果芯片未連接電池，STDBY端為低電平，CHRG端輸出脈沖信號。
SE9018的其他功能包括手動(dòng)停機、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電等。
設計方案分析
典型的基于SE9018的鋰離子電池充電電路如圖3所示。CE端為高電平時(shí)，SE9018正常工作。
圖3 SE9018典型應用電路
1.充電電流的設置
恒流充電過(guò)程中的充電電流Ibat由PORG端與GND端之間的電阻Rprog設定，Ibat與Rprog阻值的關(guān)系為：
公式1
例如，如果想得到1A的恒定充電電流，根據公式1可得Rprog=1200Ω。
2.電池溫度監測電路設置
電池溫度監測電路的設置主要是對R1和R2進(jìn)行設置，假設NTC熱敏電阻在最低工作溫度時(shí)的電阻為RTL，在最高工作溫度時(shí)的電阻為RTH(RTL與RTH的數據可查相關(guān)電池手冊或通過(guò)實(shí)驗得到)，則R1，R2的阻值分別為：
公式2
公式3
在實(shí)際應用中，如果只需要高溫保護，不需要低溫保護，可以將R2去掉。此時(shí)，R1的阻值為：
公式4
3.手動(dòng)停機設置
在充電過(guò)程中，可隨時(shí)通過(guò)置CE端為低電平或去掉Rprog(PROG端浮置)將SE9018置于停機狀態(tài)，此時(shí)電池漏電流降至2uA以下，輸入電流降至70uA以下。
4.欠壓閉鎖狀態(tài)
若輸入電壓VCC低于欠壓鎖定閾值或VCC與電池電壓Vbat之差小于120mV，SE9018處于欠壓閉鎖狀態(tài)。
當芯片處于停機狀態(tài)或欠壓閉鎖狀態(tài)時(shí)，CHRG端與STDBY端均為高阻態(tài)。
5.正常充電工作周期
當SE9018的各輸入端與電池均處于正常狀態(tài)時(shí)，充電電路進(jìn)入正常充電周期，此周期包括四種基本工作模式：涓流充電、恒流充電、恒壓充電、充電結束與再充電。
若電池電壓Vbat低于2.9V，充電電路進(jìn)入涓流充電模式，此時(shí)充電電流為恒流充電電流的十分之一(如果恒流充電電流被設置為1A，則涓流充電電流為100mA)，涓流充電狀態(tài)會(huì )一直保持到電池電壓Vbat達到2.9V。涓流充電模式主要是為了避免電池電壓太低時(shí)大電流沖擊給電池內部結構帶來(lái)的損害。
電池電壓高于2.9V但小于預設充飽電壓4.2V時(shí)，充電電路處于恒流充電模式，如上所述，充電電流由Rprog確定。
電池電壓達到4.2V時(shí)，充電電路進(jìn)入恒壓充電模式，此時(shí)BAT端電壓維持在4.2V，充電電流逐漸減小。此過(guò)程的主要作用是減小電池內阻對于充飽電壓的影響，使電池充電更加充分。
當充電電流減小至恒流充電電流的1/10時(shí)，充電電路停止向電池充電并進(jìn)入低功耗的待機狀態(tài)。在待機狀態(tài)時(shí)，SE9018會(huì )持續監測電池電壓，如果電池電壓降至4.05V以下，充電電路會(huì )再次對電池進(jìn)行充電。
6. 指示燈狀態(tài)
表1：
7.兼容USB電源與適配器電源的電路
同時(shí)，使用SE9018芯片可以實(shí)現適用于USB電源和適配器電源的充電電路，電路圖如圖4所示。
圖4 USB與適配器方案
使用USB電源供電時(shí)，PMOS與NMOS柵極被下拉至低電位，PMOS導通， USB電源對SE9018進(jìn)行供電，SCHOTTKY二極管防止USB端向適配器端漏電。NMOS截止，Rp1被斷開(kāi)，Rprog = 2.4kΩ，恒流充電電流為500mA。
使用5V適配器進(jìn)行供電時(shí)，PMOS與NMOS柵極為高電位，PMOS截止，防止適配器端向USB端漏電，適配器5V電壓通過(guò)SCHOTTKY二極管對SE9018進(jìn)行供電。NMOS導通，Rp1被接入電路中，此時(shí)Rprog為Rp1與2.4kΩ電阻并聯(lián)，通過(guò)設置Rp1，可以實(shí)現大于500mA的恒流充電電流。
本文結論
在目前的便攜式產(chǎn)品中，要正確地實(shí)現電池充電需要仔細地設計考慮。本文討論了智能大電流鋰離子電池線(xiàn)性充電解決方案，使用的SE9018芯片具有充電速度快、對電池保護功能強、外圍元器件數目較少等特點(diǎn)，而且該芯片還適合USB電源和適配器電源工作，是較為實(shí)用的智能大電流鋰離子電池充電芯片。 |
