新型高性能鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)方案

摘要：介紹了新型高性能充電組合電路(充電器)的設(shè)計(jì)方案及其功能和特點(diǎn)，它是由DS2770、DS2720等芯片組合設(shè)計(jì)而成。

關(guān)鍵詞：充電器的控制與保護(hù)；電量計(jì)量；1-Wire接口；鋰離子電池組

Design of a New Type and High Performance Charger for Lithium Ion Battery 

WU Xing-hua 

Abstract:A new type and high performance lithium ion battery charger consists of the chips DS2770 and DS2720 etc. The functions and featuers of the designd plan are introduced.

Keywords:Control and protection of charger; Electricity meter; 1-Wire interface; Lithium ion battery 　

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； [!--empirenews.page--]

    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。

    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。