充電電池的電路設(shè)計(jì)

通常我們都知道從電路性能上來(lái)考慮， 使用鍺二極管或者肖特基二極管是最好的選擇。

目前市面上的充電管理 IC，都是按照充電電池的充電特性來(lái)設(shè)計(jì)的。充電電池根據(jù)充電介質(zhì)不同，分為鎳氫電池，鋰電池等。由于鋰電池沒(méi)有記憶效應(yīng)，所以目前在各種手持設(shè)備和便攜式的電子產(chǎn)品中，都采用鋰電池供電。 由于鋰電池的充電特性。充電過(guò)程一般分為三個(gè)過(guò)程：

1、涓流充電階段(在電池過(guò)渡放電，電壓偏低的狀態(tài)下) 鋰電池一般在過(guò)渡放電之后，電壓會(huì)下降到 3.0V 以下。鋰電池內(nèi)部的介質(zhì)會(huì)發(fā)生一些物理變化，致使充電特性變壞，容量降低等。在這個(gè)階段，只能通過(guò)涓涓細(xì)流緩慢的對(duì)鋰電池充電，是鋰電池內(nèi)部的電介質(zhì)慢慢的恢復(fù)到正常狀態(tài)。

2、恒流充電階段(電池從過(guò)放狀態(tài)恢復(fù)到了正常狀態(tài)) 在經(jīng)過(guò)了涓流充電階段后，電池內(nèi)部的電介質(zhì)可以承受較大的充電電流，所以這個(gè)時(shí)候外部可以通過(guò)大一點(diǎn)的電流對(duì)鋰電池充電，以此縮短充電時(shí)間。 這個(gè)階段的充電電流一般靠充電管理 IC 外部的一個(gè)引腳外接一個(gè)電阻來(lái)決定。阻值大小則根據(jù)充電管理 IC 的 datasheet 上的公式來(lái)計(jì)算。

3、恒壓充電階段(已經(jīng)充滿(mǎn) 85%以上，在慢慢的進(jìn)行補(bǔ)充) 在鋰電池的電容量達(dá)到了 85%時(shí)候(約值)，必須再次進(jìn)入慢充階段。使電壓慢慢上升。最終達(dá)到鋰電池的最高電壓 4.2V。

一般來(lái)說(shuō)，鋰電池都有一個(gè) BAT 的引腳輸出，這個(gè) BAT 是連接到鋰電池端的。同時(shí)這個(gè)引腳也是鋰電池電壓檢測(cè)引腳。鋰電池充電管理 IC 通過(guò)檢測(cè)這個(gè)引腳來(lái)判斷電池的各個(gè)狀態(tài)。 在實(shí)際的便攜式產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)中，由于要求電池充電過(guò)程中，產(chǎn)品也要能夠正常適用。所以設(shè)計(jì)中采用以下電路方式實(shí)現(xiàn)才是正確的方式：

圖一 A210 電源供電圖

外部電壓 5V 通過(guò) D2 送到開(kāi)關(guān) SW2， 同時(shí)通過(guò)充電管理 IC MCP73831 來(lái)送到鋰電池。SW2 的左邊點(diǎn)電壓為 5V-0.7V=4.3V。由于鋰電池的電壓不管在充滿(mǎn)電或者非充滿(mǎn)狀態(tài)的時(shí)候，都低于 SW2 左邊點(diǎn)電壓 4.3V。所以 D1 是截止的。充電管理 IC 正常對(duì)鋰電池充電。

假如不加二極管 D2 和 D1， 后級(jí) LDO RT9193 直接接在 BAT 引腳輸出上，則會(huì)是充電 IC 在通電的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生誤判。會(huì)出現(xiàn)接上 5V 的外接電源，但是鋰電池不會(huì)進(jìn)行充電，充電管理 IC 的 LED 燈指示也不對(duì)。后級(jí)負(fù)載 LDO 也不會(huì)得到正常的輸入電壓(輸入電壓很小)。在這種情況下，只要將充電管理 IC 的電壓輸入腳直接對(duì) BAT 引腳短路連接一下，所有狀態(tài)又正常，充電能進(jìn)行，后級(jí)負(fù)載 LDO 工作也正常。

這是由于充電管理 IC 在接上電的瞬間，要檢測(cè) BAT 的狀態(tài)，將 LDO 的輸入引腳也連接到了 BAT 和鋰電池正極連接的支路中，會(huì)影響到 BAT 引腳的工作狀態(tài)，致使充電管理 IC 進(jìn)入了涓流充電階段。將 BAT 引腳和充電管理 IC 的電壓輸入短路連接一下，使 BAT 引腳的電壓強(qiáng)制性的升高，使充電管理 IC 判斷為鋰電池進(jìn)入了恒流充電階段，所以輸出大電流。能夠驅(qū)動(dòng)后級(jí)負(fù)載 LDO 等。

另外：為了提高電源的利用效率，D1 和 D2 要選用壓降小的二極管。如鍺二極管，肖特基二極管，MOSFET 開(kāi)關(guān)管。在需要電池切換的設(shè)計(jì)中，具有 10mV 正向壓降、沒(méi)有反向漏電流的二極管是設(shè)計(jì)人員的一個(gè)“奢求”。但到目前為止，肖特基二極管還是最好的選擇，它的正向壓降介于 300mV 到 500mV 之間。但對(duì)某些電池切換電路，即使選擇肖特基二極管也不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于一個(gè)高效電壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，節(jié)省下來(lái)的那部分能量可能會(huì)被二極管的正向壓降完全浪費(fèi)掉。為了在低電壓系統(tǒng)中有效保存電池能量，應(yīng)該選擇功率 MOSFET 開(kāi)關(guān)替代二極管。采用 SOT 封裝、導(dǎo)通電阻只有幾十毫歐的 MOSFET，在便攜產(chǎn)品的電流級(jí)別下可以忽略其導(dǎo)通壓降。

決定一個(gè)系統(tǒng)是否必需使用 MOSFET 來(lái)切換電源，最好對(duì)二極管導(dǎo)通壓降、MOSFET 導(dǎo)通壓降和電池電壓進(jìn)行比較，把壓降與電池電壓的比值看作效率損失。例如，把一個(gè)正向壓降為 350mV 的肖特基二極管用來(lái)切換 Li+電池(標(biāo)稱(chēng)值 3.6V)，損失則為 9.7%，如果用來(lái)切換兩節(jié) AA 電池(標(biāo)稱(chēng)值 2.7V)，損失為 13%。在低成本設(shè)計(jì)中，這些損失可能還可以接受。但是，當(dāng)使用了高效率的 DC-DC 時(shí)，就要權(quán)衡 DC-DC 的成本和把二極管升級(jí)為 MOSFET 帶來(lái)的效率改善的成本。

選不選用肖特基二極管和 MOSFET，還要考慮到產(chǎn)品上所用電池的放電特性。鋰電池的放電特性如下圖：

從上圖可以看出，鋰電池在常溫狀態(tài)下，消耗了 90%的電量的時(shí)候，電壓還是會(huì)保持在 3.5V 左右，選擇一個(gè)好點(diǎn)的 LDO 器件。 那么在 3.5V 的時(shí)候，輸出電壓還是會(huì)穩(wěn)定在 3.3V.

從實(shí)際測(cè)試 LDO RT9193 來(lái)看，負(fù)載電阻在 50 歐姆，負(fù)載電流 60mA 的時(shí)候，輸入電壓和輸出電壓關(guān)系如下表所示：

可以看出，即使是鋰電池消耗了 90%的電量的時(shí)候， LDO 的輸出端依然可以穩(wěn)定輸出 3.3V. 從圖一 A210 的供電電路分析，加上硅二極管 D1 以后， LDO 輸入電壓=3.5---0.7V=2.8V. 這樣只要模塊燒錄可以在 2.4V 左右工作的程序，硅二極管也可以在此電路中使用了。