基于BQ24610的智能鋰電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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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、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。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。
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[!--empirenews.page--]
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。