新型高性能超級電容充電器的設(shè)計(jì)方案

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，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充電、過放電對其造成的損害，而對保護(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)一個具有充電控制、電源控制、電量計(jì)數(shù)、電池保護(hù)、計(jì)時和對電池組能識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)時時鐘（RTC）三個芯片組成。它們均公用一個地 （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）的作用是對干擾信號濾波及對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/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。它還包含一個可選擇的25mΩ檢測電阻，用來實(shí)現(xiàn)充電電流測量。內(nèi)置的測量電路能檢測電壓和溫度值，作為充電終止的判據(jù)和安全充電環(huán)境的判據(jù)。所有測量結(jié)果保存在16字節(jié)的SRAM存儲器中，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)電池電壓檢測為低值時的輸出端，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 電流檢測輸入端；

Vin 電池電壓檢測輸入。

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芯片來實(shí)現(xiàn)對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)電池免受過量充電、過量消耗、過高放電電流以及過高溫度損害等。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DS2720與DS2770芯片的引腳DQ檢測到電池產(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）開關(guān)檢測輸入，低電平有效；

DQ 數(shù)據(jù)輸入/輸出；

CP 電量儲存容量；

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單的限流型電源給電池充電，通過控制外部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還提供了一個輔助的充電終止控制，即當(dāng)電池溫度超過+50℃或電池的充電時間超過用戶設(shè)定的最大充電時間時均能終止充電。要啟動充電，只需接個限流型電源（最高15V）到Charge source端即可。

5 充電電量計(jì)數(shù)

DS2770也可用作一個高精度電量計(jì)。電流測量通過一個內(nèi)部的25mΩ檢測電阻實(shí)現(xiàn)（見圖2），其最低分辨率為62.5μA,動態(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)部的自動補(bǔ)償功能可在芯片整個工作范圍之內(nèi)保持測量的精確度，并能對所累加的電流、電壓和溫度進(jìn)行實(shí)時測量，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，同時僅消耗很少的系統(tǒng)資源。由于DS2770直接由電池驅(qū)動，電量計(jì)數(shù)信息在電池組被拿開或由于保護(hù)性故障電源失效時不會被丟失。

6 實(shí)時時鐘RTC

DS2415為主系統(tǒng)提供了一個精度達(dá)2分鐘/月的RTC.它需要一個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有的。而將DS2415時鐘置于MOSFET管的內(nèi)側(cè)，可以為主系統(tǒng)提供一個高精度保障的時鐘，甚至當(dāng)主系統(tǒng)電源失去時也可以保持正確的時間信息，免去了在主系統(tǒng)中增加超級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，而DS2720又額外增加了8個字節(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)生時仍能保證數(shù)據(jù)的完整性。此外，每個芯片具有一個唯一的64位序列碼，以便于讓主系統(tǒng)或充電器識別。

8 結(jié)語

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