新型高性能鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)方案

鋰離子電池作為現(xiàn)代電子設(shè)備的主要電源，其充電器的設(shè)計(jì)對(duì)于電池的性能、安全性和壽命至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹一種新型高性能鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)探討主控芯片的選擇及其在設(shè)計(jì)中的作用。

一、總體設(shè)計(jì)方案

新型高性能鋰離子電池充電器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效充電、電池保護(hù)、電量計(jì)數(shù)、電源控制、計(jì)時(shí)以及對(duì)電池組的識(shí)別等功能。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，整個(gè)充電器由以下幾個(gè)主要部分組成：

1. 主控芯片：負(fù)責(zé)充電控制、電量計(jì)量、電池保護(hù)等核心功能。

2. 輔助芯片：如實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、電池保護(hù)器等，用于提供附加功能。

3. 外圍電路：包括濾波電容、保護(hù)電阻、MOSFET等，用于對(duì)干擾信號(hào)濾波、ESD保護(hù)及電池安全保護(hù)。

二、主控芯片型號(hào)及其作用

1. DS2770和DS2720

DS2770和DS2720是德州儀器（TI）推出的高性能電池管理芯片，廣泛應(yīng)用于鋰離子電池充電器和電池組中。

DS2770：

• 功能：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。它不僅可以實(shí)現(xiàn)電池的充電控制，還能精確測(cè)量電池的電量，并提供電池溫度、電壓等關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

• 特點(diǎn)：

• 內(nèi)置可選擇的25mΩ檢測(cè)電阻，用于充電電流測(cè)量。

• 內(nèi)置的測(cè)量電路能檢測(cè)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(cè)量結(jié)果保存在16字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)器中，40字節(jié)的EEPROM留給用戶使用。

• 通過標(biāo)準(zhǔn)的l－Wire通信接口與主系統(tǒng)交換信息。

• 低功耗設(shè)計(jì)，工作狀態(tài)耗電僅為80μA，靜態(tài)消耗電流為0.5μA。

• 引腳功能：

• UV：電池電壓檢測(cè)為低值時(shí)的輸出端，低電平有效。

• CC：充電控制輸出，低電平有效。

• Vch：充電電壓輸入。

• SNS：電流檢測(cè)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(cè)輸入端。

• Vin：電池電壓檢測(cè)輸入。

DS2720：

• 功能：DS2720是一款電池保護(hù)器，主要用于保護(hù)單體鋰離子或鋰聚合物電池免受過量充電、過量消耗、過高放電電流以及過高溫度損害等。

• 特點(diǎn)：

• 具有涓流充電功能，可恢復(fù)已深度放電的電池。

• 低功耗設(shè)計(jì)，工作狀態(tài)耗電僅為12.5μA，靜態(tài)消耗電流為1.5μA。

• 引腳功能：

• PLS：電池組的正端輸入。

• PS：系統(tǒng)（功率）開關(guān)檢測(cè)輸入，低電平有效。

• DQ：數(shù)據(jù)輸入/輸出。

• CP：電量儲(chǔ)存容量。

• CC：充電控制輸入。

• DC：放電控制輸出。

作用：

DS2770和DS2720的組合使用，可以實(shí)現(xiàn)高性能的充電控制、電池保護(hù)和電量計(jì)量功能。DS2770負(fù)責(zé)充電控制、電量計(jì)量和電池參數(shù)的監(jiān)測(cè)，而DS2720則提供電池的安全保護(hù)功能。兩者通過標(biāo)準(zhǔn)的l－Wire通信接口與主系統(tǒng)交換信息，確保充電過程的穩(wěn)定性和安全性。

2. LTC4007EGN

LTC4007EGN是Linear公司推出的一款鋰離子電池智能充電控制器，依據(jù)鋰離子電池特性定制，具備多種功能。

功能：

• 對(duì)三節(jié)或四節(jié)鋰離子電池組進(jìn)行大電流恒流、恒壓、定時(shí)充電。

• 過熱保護(hù)功能。

• 交流適配器電流限制功能。

• 充電電流輸出監(jiān)測(cè)。

• 工作狀態(tài)標(biāo)示：充電、C/10充電電流、適配器連接、電池低電壓、輸入電流限制、故障。

特點(diǎn)：

• 轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%。

• 輸出最大電流超過4A。

• 充電電壓精度可達(dá)±0.8%。

• 同步、準(zhǔn)恒定頻率、恒定關(guān)斷時(shí)間的PWM控制結(jié)構(gòu)，在使用陶瓷電容的情況下也不會(huì)產(chǎn)生噪聲。

• 利用電流設(shè)置電阻可以將充電電流精度控制到±5%。

作用：

LTC4007EGN以其高效、精確的充電控制功能，特別適用于對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行大電流充電的應(yīng)用場(chǎng)景。其小型SSOP24封裝也使其特別適合應(yīng)用于集成度高、電路板空間有限的場(chǎng)合。通過精確控制充電電流和電壓，LTC4007EGN可以有效降低電池過充的風(fēng)險(xiǎn)，提高電池的安全性和壽命。

三、充電組合電路的設(shè)計(jì)

1. 電路組成

整個(gè)充電組合電路由DS2770充電控制器/電量計(jì)、DS2720電池保護(hù)器、DS2415實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）三個(gè)芯片組成。它們均公用一個(gè)地（VSS或Gnd）、電源（Vdd）和通信線（DQ或DATA）。

2. 充電過程控制

DS2770利用簡(jiǎn)單的限流型電源給電池充電。通過控制外部PNP晶體管Vp1和Vp2，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(gè)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(shí)間超過用戶設(shè)定的最大充電時(shí)間時(shí)均能終止充電。

3. 電池保護(hù)特性

應(yīng)用外接的二只N溝道MOSFET（如IRF840）Vp3與Vp4和DS2720芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)單體鋰離子或鋰聚合物電池的安全保護(hù)。DS2720具有涓流充電功能，可恢復(fù)已深度放電的電池。主系統(tǒng)軟件還能夠通過DS2720與DS2770芯片的引腳DQ檢測(cè)到電池產(chǎn)生故障的原因，并由主系統(tǒng)向用戶報(bào)告。

4. 充電電量計(jì)數(shù)

DS2770也可用作一個(gè)高精度電量計(jì)。電流測(cè)量通過一個(gè)內(nèi)部的25mΩ檢測(cè)電阻實(shí)現(xiàn)，其最低分辨率為62.5μA，動(dòng)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，其內(nèi)部的自動(dòng)補(bǔ)償功能可在芯片整個(gè)工作范圍之內(nèi)保持測(cè)量的精確度，并能對(duì)所累加的電流、電壓和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)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(shí)僅消耗很少的系統(tǒng)資源。

四、附加功能設(shè)計(jì)

1. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）

DS2415實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）用于提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息，可用于記錄電池的充電時(shí)間、放電時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，有助于優(yōu)化充電策略和電池管理。

2. 數(shù)據(jù)通信接口

DS2770和DS2720通過標(biāo)準(zhǔn)的l－Wire通信接口與主系統(tǒng)交換信息。這種通信方式不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，還提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

3. 過充、過放、過熱和短路保護(hù)

現(xiàn)代鋰電池充電器通常還具備過充、過放、過熱和短路保護(hù)功能，以確保電池的安全性和壽命。這些保護(hù)功能可以通過軟件設(shè)置和硬件電路相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。

五、設(shè)計(jì)總結(jié)

新型高性能鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)方案采用了DS2770和DS2720作為主控芯片，結(jié)合LTC4007EGN等輔助芯片，實(shí)現(xiàn)了高效充電、電池保護(hù)、電量計(jì)數(shù)、電源控制、計(jì)時(shí)以及對(duì)電池組的識(shí)別等功能。通過精確控制充電電流和電壓，以及提供多種保護(hù)功能，該充電器可以有效降低電池過充的風(fēng)險(xiǎn)，提高電池的安全性和壽命。同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案還具有體積小、重量輕、易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種電子設(shè)備。

綜上所述，新型高性能鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)方案不僅滿足了現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)電池充電器的高要求，還為電池管理技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方法。隨著科技的不斷發(fā)展，相信未來會(huì)有更多更高效、更智能的電池充電器問世，為人們的生活和工作帶來更多便利。