智能單片線性鋰離子電池充電器IC設(shè)計

摘要：鋰離子電池由于體積小、重量輕、能量密度高和循環(huán)壽命長等優(yōu)點，在便攜式設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，由于鋰離子電池的使用壽命與鋰離子電池充電器的充電方法密切相關(guān)，充電器必須安全、快速、效率高．考慮到IC的成本，采用CMOS工藝設(shè)計了一款具有智能熱調(diào)整功能的單片線性鉭離子電池充電器IC，在此設(shè)計的線性鋰離子電池充電器IC在恒流／恒壓充電模式的基礎(chǔ)上，增加了涓流充電模式和智能熱調(diào)整模式。
關(guān)鍵詞：線性充電器；鋰離子電池；恒流充電；恒壓充電；智能熱調(diào)整

    鋰離子和鋰聚合物電池具有工作電壓高、無記憶效應(yīng)、工作溫度范圍寬、自放電率低及比能量高優(yōu)點。使其能夠較好地滿足便攜式設(shè)備對電源小型化、輕量化、長工作時間和長循環(huán)壽命以及對環(huán)境無害等要求，同時隨著鋰離子電池產(chǎn)量的提高，成本的降低，鋰離子電池以其卓越的高性價比優(yōu)勢在便攜式設(shè)備電源上取得了主導(dǎo)地位，這也使得鋰離子電池充電器得到了巨大的發(fā)展和廣闊的市場。本文設(shè)計一款針對單節(jié)鋰電池的線性充電器IC。該IC采用涓流-恒流-恒壓三階段充電法對充電過程進行控制。

1 線性鋰離子電池充電器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    圖1所示為本文鋰離子電池充電器的整體功能模塊圖。這些子模塊包括。基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電流源、欠壓閉鎖模塊、恒流充電放大器、恒壓充電放大器、智能熱調(diào)整放大器、鉗位放大器、振蕩器、計數(shù)器、電池溫度保護模塊、功率管襯底保護模塊、邏輯模塊以及多個比較器模塊。

    考慮芯片的實際應(yīng)用，本文設(shè)計的鋰離子電池充電器具有以下幾個特點：
    (1)芯片的溫度保護方面在充電過程中，當(dāng)電池的電壓達(dá)到涓流充電跳變電壓門限而進入恒流階段時，恒流階段為大電流充電，由于本文的功率管為PMOS，在負(fù)載電池和電源之間只有該功率管，此時電池電壓較低，芯片功率耗散達(dá)到最大。其功率耗散為：
    P=(Vcc-VBAT)Icc (1)
    大功率耗散將導(dǎo)致芯片的溫度急劇上升，因此設(shè)置了一個智能的熱反饋回路。當(dāng)芯片溫度上升到熱反饋溫度點105℃時，啟動熱反饋回路，使芯片溫度維持在105℃。當(dāng)電池電壓進一步升高時，由式(1)可知，功率耗散逐漸降低，在較小的功率耗散下，芯片的溫度會逐漸降低。此時退出智能熱調(diào)整工作模式，進入恒流充電模式，使用大電流Icc對電池充電，或者直接進入恒壓充電階段。該熱反饋回路的使用，使充電的速率最大化，同時用戶無需擔(dān)心芯片的溫度過高。
    (2)成本方面。本文介紹的芯片采用CMOS工藝設(shè)計，成本低，工藝易于實現(xiàn)。
    (3)與用戶的交互式管理方面。芯片提供了多個外部用戶編程引腳以方便用戶對芯片的管理和使用。在充電電流的控制方面，用戶可以通過連接1只電阻至芯片一個引腳對充電電流進行編程；在充電最終電壓的控制方面，用戶可通過將芯片的一個引腳接高電平或低電平來設(shè)置最終充電電壓為4．1 V或4．z V，以適應(yīng)對使用不同的負(fù)極材料的鋰離子電池進行充電；在充電時間的控制上，用戶可通過連接1只電容至芯片1個引腳對充電時間進行編程，滿足用戶不同的充電時間要求。芯片設(shè)計預(yù)計達(dá)到的特性和參數(shù)見表1。

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    芯片引腳的外部連接如圖2所示。在圖2中，CHRG，F(xiàn)AULT，ACPR三引腳分別與一個1 kΩ的電阻以及一個發(fā)光二極管相連，用于指示芯片的充電狀態(tài)；4．7μF電容為電源Vcc的旁路電容，在電池BAT引腳處接有一個ESR為1 Ω的1 μF旁路電容，用于在沒有電池時，將紋波電壓保持在低水平。NTC引腳處，一個10 kΩ的負(fù)溫度系數(shù)的電阻RNTC與4 kΩ電阻相串連，將RNTC上的分壓作為NTC引腳的輸入。

2 線性鋰離子電池充電器的整體仿真結(jié)果
    仿真中，為縮短仿真時間，將電池等效為一個大電容CBAT，其等效串連電阻為RESR。2為對預(yù)設(shè)定的充電器芯片特性參數(shù)表仿真后得到的結(jié)果。
2．1 電器充電過程波形圖
    圖3～圖5是充電器的充電過程在不同的條件下仿真得到的結(jié)果。為縮短仿真時間，電池預(yù)設(shè)的電壓為2．3 V，以便充電過程能夠迅速地由涓流充電模式過渡到恒流充電模式。

    在仿真中，RPROG的值設(shè)置為3 kΩ，涓流充電電流為50 mA，恒流充電電流為500mA；SEL引腳接地電位，電池的最終充電電壓為4．1V。由圖3～圖5中可以知，在各種工作條件下，充電器都能正常工作。在圖4中充電的過程與溫度的關(guān)系曲線中，當(dāng)溫度為125℃時，充電電流為零，這是由于芯片中的智能熱調(diào)整溫度Tc是105℃，智能熱調(diào)整電路正常運行使芯片的充電電流在125℃時降至零，電池的電壓一直維持在2．3 V。[!--empirenews.page--]
2．2 充電器充電電流和智能熱調(diào)整波形圖
    充電器充電電流和智能熱調(diào)整波形圖如圖6所示。由圖7可知，當(dāng)芯片的溫度達(dá)到105℃附近時，智能熱調(diào)整電路自動啟動，減小充電電流。以降低芯片的功耗。

2．3 最壞情況下電池最終充電電壓仿真數(shù)據(jù)
    為確保即使在最壞情況下，鋰離子電池最終充電電壓達(dá)到要求，對全電路進行了電阻的所有corner RES_TT，RES_FF，RES_SS與MOSFET的所有cornerTT，F(xiàn)F，F(xiàn)S，SF，SS的交叉仿真，仿真后得到如表2和表3所示的電池最終充電電壓的典型情況與最差情況。其中，表3是在基準(zhǔn)電壓2．485 V未進行微調(diào)情況下仿真得到的結(jié)果，表4是在對基準(zhǔn)電壓2．485 V微調(diào)后得到的仿真結(jié)果。

    由表2、表3的仿真結(jié)果可知電池的最終充電電壓的仿真結(jié)果符合設(shè)計要求其精度如下：
    (1)VREF微調(diào)后，SEL=0或Vcc時，VBAT可控制在4．1 V或4．2(1±0．4％)V。
    (2)VREF不進行微調(diào)時，SEL=0或VCC時，VBAT可控制在4．1 V或4．2(1±0．8％)V。

3 結(jié)論
    該芯片具有充電速度快、對電池保護功能強、低成本等特點，是較為實用的智能化鋰電池充電器芯片。