基于鋰電池組均衡充電保護(hù)板的設(shè)計(jì)方案

1.概述

隨著移動(dòng)電話、筆記本電腦、平板電腦等眾多便攜式電子設(shè)備的迅速普及應(yīng)用，與之配套的小型鋰離子電池、鋰聚合物電池等二次電池的生產(chǎn)及需求量與日俱增，特別是鋰離子電池體積小、重量輕;循環(huán)壽命長(zhǎng)、充電可達(dá)幾百次甚至上千次;自放電率低等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于可移動(dòng)便攜式電子產(chǎn)品中。因此，設(shè)計(jì)一套高精度鋰離子充電管理系統(tǒng)對(duì)于鋰離子電池應(yīng)用是至關(guān)重要的，嚴(yán)格防止在電池的使用中出現(xiàn)過充電、過放電等現(xiàn)象。

目前比較成熟的鋰電池充電管理方案就是基于筆記本電腦的方案，該類電源管理方案已經(jīng)接近成熟，但是往往成本較高，不太符合應(yīng)用于便攜式分子篩制氧機(jī)設(shè)計(jì)中。結(jié)合成本與性能的考慮，最后我們選擇BQ24610芯片作為主芯片，結(jié)合外圍電路，來設(shè)計(jì)便攜式分子篩制氧機(jī)電源管理模塊。

BQ24610是TI公司生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)5V-28V鋰電池充電管理。充電控制器與傳統(tǒng)的控制器相比較，效率更高，散熱更少;充電電壓及電流的準(zhǔn)確度接近百分之百，有助于延長(zhǎng)電池使用壽命;集成型獨(dú)立解決方案可提高設(shè)計(jì)靈活性，縮小整體解決方案尺寸，更有利于廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備中;動(dòng)態(tài)電源管理可在電池充電時(shí)仍可為系統(tǒng)供電，最大限度地提高適配器功率[3].本文就通過在實(shí)際中的探索，對(duì)電池充電控制,器和選擇器芯片BQ24610的基本性能、工作原理、參數(shù)設(shè)置及應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。

2.BQ24610功能及特性

2.1 引腳介紹

ACN(引腳1)：適配器電流誤差放大器負(fù)輸入。ACP (引腳2)：適配器電流誤差放大器正輸入。ACDRV (引腳3)：AC或適配器電源選擇輸出。CE(引腳4)：充電使能，邏輯高電平輸入。高電平充電時(shí)能，低電平停止充電，它有一個(gè)1MΩ內(nèi)部下拉電阻。STAT1(引腳5)：漏極開路充電狀態(tài)指示按鈕，指示各種充電操作。

TS(引腳6)：電池組溫度CP系數(shù)檢測(cè)。TTC(引腳7)：安全時(shí)間和終止控制。(引腳8)：開漏輸出狀態(tài)良好指示。STAT2(引腳9)：漏極開路充電狀態(tài)指示按鈕，指示各種充電操作。

VREF(引腳10)：3.3V參考電壓輸出。ISET1(引腳11)：快速充電電流輸入設(shè)置。VFB(引腳12)：輸出電壓模擬反饋調(diào)整。SRN(引腳13)：

電池電流誤差放大器負(fù)輸入。SRP(引腳14)：

電池電流誤差放大器正輸入。I S E T 2 (引腳15)：預(yù)充電和終止當(dāng)前輸入設(shè)置。ACSET(引腳16)：適配器當(dāng)前輸入設(shè)置。BATDRV (引腳23)：電池和系統(tǒng)之間的MOSFET驅(qū)動(dòng)輸出。

2.2 工作原理

BQ24610充電電路工作原理如圖2所示，該充電電路基本工作原理可分為預(yù)充、快充和終止階段。

當(dāng)接通電源，如果VBAT

快充分恒流充電和恒壓充電兩個(gè)階段，在該充電階段，恒流充電電流不變，電壓持續(xù)上升，當(dāng)電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電壓時(shí)，充電進(jìn)入恒壓充電階段。在恒壓階段，充電電流逐漸減小，BQ24610負(fù)責(zé)管理充電電流。在VTT有效情況下，如果VVFB>VRECH,并且ICHARGE

BQ24610能夠自動(dòng)選擇適配器或者電池給負(fù)載供電，當(dāng)處于上電狀態(tài)或者睡眠模式的時(shí)候，電池連到負(fù)載。當(dāng)電池跳出睡眠模式30ms,電池自動(dòng)與負(fù)載斷開，適配器與電池相連。一個(gè)自動(dòng)閉合邏輯防止轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的時(shí)候電流擊穿。每次確保輸出電容或者電源轉(zhuǎn)換器沒有充或擊穿之后，進(jìn)入快速充電模式，充電器自動(dòng)軟啟動(dòng)充電器調(diào)節(jié)電流。[!--empirenews.page--]

3.便攜式制氧機(jī)中的鋰離子電池充電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

依據(jù)參數(shù)要求，我們結(jié)合BQ24610的特性設(shè)計(jì)了一套適合四節(jié)鋰離子電池的充放電系統(tǒng)，電路圖如圖3所示。該系統(tǒng)是給便攜式分子篩制氧機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)了以下設(shè)計(jì)：

圖3 鋰離子電池的充放電電路

3.1 適配器或電池供電的設(shè)計(jì)

主要通過兩個(gè)P溝道的MOSFET實(shí)現(xiàn)。BQ24610能夠自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)適配器或者電池給負(fù)載供電，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)或者進(jìn)入睡眠模式時(shí)，電池默認(rèn)與系統(tǒng)連接，當(dāng)退出休眠模式30ms,電池自動(dòng)與系統(tǒng)斷開，適配器與系統(tǒng)連接。每次進(jìn)入快速充電，當(dāng)確定沒有過充、輸出電容和電源轉(zhuǎn)換器沒有過壓現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)軟啟動(dòng)充電電流管理。當(dāng)CE引腳的狀態(tài)指示燈亮表明系統(tǒng)進(jìn)入充電使能狀態(tài)。

3.2 鋰電池的電量檢測(cè)與充電指示設(shè)計(jì)

通過分壓法采集電池電量AD信號(hào)，通過I/O口傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理做出反應(yīng)。電池充電狀態(tài)的顯示是通過兩個(gè)LED燈(STAT1、STAT2)，實(shí)現(xiàn)充電與充電完成狀態(tài)顯示。當(dāng)SRN與SRP之間的電壓低于5mv時(shí)，芯片自動(dòng)控制進(jìn)入周期循環(huán)充電潛流保護(hù)，這能夠阻止引起提振效應(yīng)的負(fù)面感應(yīng)電流。提振效應(yīng)能夠隨著電池到輸入電容的輸入電壓增大，導(dǎo)致VCC引腳過壓，引起系統(tǒng)損壞。輸入過壓和低壓保護(hù)，能夠有效的預(yù)防過壓或低壓對(duì)系統(tǒng)造成的損壞。電池的過壓保護(hù)，充電電流過流保護(hù)，熱關(guān)機(jī)保護(hù)等一系列的保護(hù)措施能夠大大提高系統(tǒng)的安全性。

3.3 系統(tǒng)電壓低于12V時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)的設(shè)計(jì)

通過一個(gè)含有最大限制電壓是30V的P溝道MOSFET和一個(gè)分流基準(zhǔn)源實(shí)現(xiàn)，在此部分電路中電阻R43,R44需要滿足12*R44/(R43+R44)=2.5,經(jīng)計(jì)算取R43=38K,R44=10K3.4 系統(tǒng)按鍵開關(guān)的設(shè)計(jì)

含有按鍵開關(guān)的S1部分能夠?qū)崿F(xiàn)該功能，主要原理如下：按鈕按下前，VT2的GS電壓(即C1電壓)為零，VT2截止，V1的GS電壓為零，V1截止無輸出;當(dāng)按下S1,C1充電，VT GS電壓上升至約3V時(shí)VT2導(dǎo)通，并迅速飽和，V1 GS電壓小于-4V,V1飽和導(dǎo)通，VOUT有輸出，發(fā)光管亮，C1通過R6、R12繼續(xù)充電，V1、VT2狀態(tài)被鎖定;當(dāng)再次按下按鈕時(shí)，由于VT2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，漏極電壓約為0VC1通過R3放電，方至約3V時(shí)，VT2截止，V1柵源電壓大于-4V,V1截止，VOUT無輸出，發(fā)光管滅，C1通過R6、R12及外電路繼續(xù)放電，V1、VT2維持截止?fàn)睢?/p>

3.5 電流電壓參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.5.1 預(yù)充電電流設(shè)計(jì)

電池的預(yù)充電電流IPRECHARGE由引腳ISET2的電壓確定，大小為充電電流的1/6.

根據(jù)公式(1)電池預(yù)充電電流為0.6A.

3.5.2 適配器電流設(shè)計(jì)

與電池的電流大小類似，通過ACSET引腳的輸入來設(shè)置適配器的電流，適配器電流大小是由連接ACP引腳與ACN引腳的電阻RAC決定。

VACSE,是ACSET引腳的輸入電壓，范圍在(0-2)V之間。VISET1=2V,RSR=30mΩ，根據(jù)公式(2)，充電電流設(shè)定為3.1A.

3.5.3 充電電壓設(shè)計(jì)

電池充電調(diào)整電壓VBAT通過電池和地之間的電阻進(jìn)行設(shè)定，從中間部分與VFB引腳相連。

R2在VFB和電池之間，R1在電池和地之間。

取R1=4K,R2=28K,根據(jù)公式(3)，該系統(tǒng)中充電電壓設(shè)定為16.8V.

3.5.4 充電電流的設(shè)計(jì)

通過ISET1引腳的輸入來設(shè)置最大的快速充電電流，電池的充電電流由SRP、SRN之間的電阻RSR決定。

VISET1,是ISET1引腳的輸入電壓，范圍在(0-2)V之間。VACSETT=2V,RAC=25mΩ，根據(jù)公式(4)，適配器電流設(shè)定為3.9A.

4.結(jié)論

通過試驗(yàn)結(jié)果分析，充電電壓在16.5V左右浮動(dòng)，準(zhǔn)確度超過95%,充電電流在3.1A左右浮動(dòng)，準(zhǔn)確度超過99%.系統(tǒng)的輸入過壓過流保護(hù)、電池的過壓、過流保護(hù)，高溫保護(hù)準(zhǔn)確度達(dá)到了99%.經(jīng)過多次試驗(yàn)該電路能其要求的功能。

本文系統(tǒng)地分析了鋰離子電池充電控制集成電路芯片應(yīng)用中常用到的技術(shù)問題，并給出了在便攜式制氧機(jī)中的典型應(yīng)用實(shí)例。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)電池的應(yīng)用需求，通過合理設(shè)置BQ24610的外部元件參數(shù)，就可構(gòu)成一個(gè)功能完備的鋰離子電池充電器。該設(shè)計(jì)能夠很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)鋰離子電池充電器的功能，可作為有關(guān)設(shè)計(jì)人員對(duì)電池充電器進(jìn)一步開發(fā)的參考。該類集成芯片系列較多，但在使用方法上存在許多類似之處，這使得本文的分析討論在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的實(shí)用價(jià)值和參考價(jià)值，為電池充電電路設(shè)計(jì)者提供了有用的參考，同時(shí)也可為其他電子元件的應(yīng)用提供參考。