本文介紹鋰離子電池的優(yōu)勢和對保護電路要求高的特點,用P87LPC767單片機做控制,MAX1758做充電管理,設(shè)計了一種在線式的鋰離子電池充放電管理電路,并給出了充電參數(shù)的設(shè)置方法和充放電控制的狀態(tài)流程。為應(yīng)用鋰離子電池和外電源供電的雙電源系統(tǒng)或儀器的設(shè)計提供了一種參考。

1 鋰離子電池的特點

近幾年來,便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展促進了電池技術(shù)的更新?lián)Q代。其中鋰離子電池以高能量密度、高內(nèi)阻、高電池電壓、高循環(huán)次數(shù)、低自放電率等特性,脫穎而出,迅速成為市場的主流。據(jù)統(tǒng)計,在筆記本電腦和移動電話領(lǐng)域,鋰離子電池的市場占有率分別為80%和60%。根據(jù)日本矢野經(jīng)濟研究所的預(yù)測,鋰離子電池正以53.33%的年增長率快速取代傳統(tǒng)的鎳鉻和鎳氫電池市場。

雖然鋰離子電池有以上所說的種種優(yōu)點和良好的市場前景,但它對保護電路的要求比較高,在使用過程中應(yīng)嚴格避免出現(xiàn)過充電、過放電現(xiàn)象,放電電流也不宜過大,一般而言,放電速率不應(yīng)大于0.2C。鋰電池的充電過程如圖1所示。在一個充電周期內(nèi),鋰離子電池在充電開始之前需要檢測電池的電壓和溫度,判斷是否可充。如果電池電壓或溫度超出制造商允許的范圍,則禁止充電。允許充電的電壓范圍是:每節(jié)電池2.5V～4.2V;溫度范圍是:2.5℃～50℃。在電池處于深放電的情況下,必須要求充電器具有預(yù)充過程,使電池滿足快速充電的條件;然后,根據(jù)電池廠商推薦的快速充電速度,一般為1C，充電器對電池進行恒流充電,電池電壓緩慢上升;一旦電池電壓達到所設(shè)定的終止電壓(一般為4.1V或4.2V),恒流充電終止,充電電流快速衰減,充電進入滿充過程;在滿充過程中,充電電流逐漸衰減,直到充電速率降低到C/10以下或滿充時間超時時,轉(zhuǎn)入頂端截止充電;頂端截止充電時,充電器以極小的充電電流為電池補充能量。頂端截止充電一段時間后,關(guān)閉充電。

一般而言,鋰離子電池的安全電壓下限為2.4V,其所要求的誤差精準(zhǔn)度并不如充電電壓精確,但亦必須配合適當(dāng)?shù)倪^放電延遲時間,以同時兼顧最大使用電量與過放電保護的要求。當(dāng)電池進行放電動作、電池電壓低于過放電保護電壓時,應(yīng)當(dāng)關(guān)閉電池放電,避免電池過放電現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)放電電流過大,保護電路應(yīng)該關(guān)閉電池放電,執(zhí)行過放電電流保護功能。至于保護電流的大小,可以根據(jù)負載的大小加以設(shè)定。值得注意的是:保護電路不能因為負載需要短時間的大電流而誤動作,保護電路必須提供不同的過放電電流保護延遲時間,提高工作的穩(wěn)定性。

除此之外,整體鋰離子電池組的保護功能還可以通過電池內(nèi)部的安全閾作內(nèi)壓保護,外部電路的熱敏電阻進行高溫保護。

2 在線充放電管理的電路結(jié)構(gòu)

由于鋰離子電池對保護電路要求比較高,在設(shè)計充電和放電電路時,應(yīng)該充分考慮到可能出現(xiàn)的各種情況,并加以保護,以確保電池安全工作。在實際設(shè)計中,需要將鋰離子電池應(yīng)用在長期無人看守的儀器中,要求充放電管理電路可自動監(jiān)測鋰離子電池、外部供電以及負載的狀態(tài),并做出相應(yīng)的動作,以確保負載長期穩(wěn)定地工作,鋰電池安全有效地工作。選擇MAXIM公司生產(chǎn)的鋰離子充電管理芯片MAX1758和PHILIPS公司生產(chǎn)的低功耗單片機P87LPC767來實現(xiàn)對鋰離子電池的充電和放電管理,以及對電池工作狀態(tài)的實時監(jiān)測,完成外部供電電壓和內(nèi)部電池電壓的實時切換。充放電管理電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 充電管理電路原理

圖2所示電路的上半部分是用MAX1758構(gòu)成的1～4節(jié)鋰離子電池充電管理電路。MAX1758芯片內(nèi)部電路包括:輸入調(diào)節(jié)器、電壓檢測器、充電電流檢測器、定時器、溫度檢測器和主控制器。

輸入電流調(diào)節(jié)電路用于限制電源的總輸入電流,包括系統(tǒng)負載電流和充電電流。當(dāng)檢測到輸入電流大于設(shè)定的限流門限時,通過降低充電電流可達到限制輸入電流的目的。因為系統(tǒng)工作時電源電流的變化范圍較大,如果充電器沒有輸入電流檢測功能,則輸入電源(墻上適配器或其它直流電源)必須能夠提供最大負載電流與最大充電電流之和。這將使電源的成本增高、體積增大。而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對直流電源的要求,同時也簡化了輸入電源的設(shè)計。圖2中利用MAX1758的CSSP引腳與CSSN引腳之間的外接電阻R1來檢測輸入電流,ISETIN引腳設(shè)置檢測門限。需要注意的是:電阻R1上的壓差使充電器的功耗增大、效率降低。為減小壓差,一般應(yīng)選擇較小的電阻值;但過小的阻值會使內(nèi)部輸入檢流放大器的失調(diào)電壓增大,從而降低電流檢測精度。因此,應(yīng)綜合考慮,選擇適當(dāng)?shù)腞1值。

電壓檢測電路可與電流檢測電路分別對電池電壓和充電電流進行調(diào)節(jié)、監(jiān)測。最大充電電流由ISETOUT引腳的電壓值確定,電池充電終止電壓限定為4.2V,通過VADJ引腳的外接分壓電阻在4.0V～4.4V之間調(diào)節(jié)。電池節(jié)數(shù)由CELL引腳設(shè)置,CELL引腳接GND、浮空、接REF、接VL分別表示電池節(jié)數(shù)為1節(jié)、2節(jié)、3節(jié)、4節(jié)。MAX1758的電壓檢測精度為±0.8%。電壓檢測和電流檢測結(jié)果送入內(nèi)部主控制器,主控制器通過驅(qū)動內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通或斷開以達到控制電流或限制電池電壓的目的。

定時器和溫度檢測器為電池充電提供附加保護。由于充電效率達不到100%,充電時間限定值應(yīng)留有余量。溫度傳感器應(yīng)接在THM和GND之前,靠近電池安裝。溫度傳感器可選擇具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻,+25℃時阻值為10kΩ。Philips、Cornerstone傳感器公司、Fenwall電子公司均可提供適當(dāng)?shù)?a target="_blank">產(chǎn)品。MAX1758以1.2Hz的頻率檢測電池溫度。

4 充電參數(shù)設(shè)置

4.1 電池終止電壓設(shè)置

通過MAX1758的VADJ引腳外接分壓電阻可以設(shè)置電池充電終止電壓,分壓電阻應(yīng)選擇阻值低于100kΩ、精度為1%以上的精密電阻。電池充電終止電壓與電池的化學(xué)特性和內(nèi)部構(gòu)造有關(guān),具體參數(shù)由電池廠商提供。VADJ引腳的電壓(VVADJ)與電池充電終止電壓(VBATTR)、電池節(jié)數(shù)(N)、基準(zhǔn)電壓(VREF)之間的關(guān)系由下式確定:

VVADJ=(9.5VBATTR/N)-(9.0×VREF)

4.2 充電電流設(shè)置

快充過程的充電電流由ISETOUT引腳的電壓值(VIESTOUT)決定,該電壓由連接在REF和GND之間的分壓電阻調(diào)節(jié)。當(dāng)ISETOUT引腳接REF時,電流為最大值(1.5A)。ICHG與VIESTOUT的關(guān)系式如下:

ICHG=1.5A×(VIESTOUT/VREF)

4.3 輸入電流限制

輸入限流門限IIN由ISETIN引腳的電壓確定,根據(jù)下式可確定IIN的值。

IIN=IFSS(VISETIN/VREF)

式中: IFSS=0.1V/R1

4.4 選擇電感

電感值與電流紋波的大小有關(guān)。選用較大的電感時電流紋波較小,但如果電感的物理尺寸相同時,電感值越大,通常電感的等效串聯(lián)電阻和額定電流較小。從總體指標(biāo)考慮,電流紋波一般設(shè)置為平均充電電流的30%～50%。假設(shè)紋波電流與直流充電電流之比為LIR,則電感值由下式確定:

式中:fOSC為充電器內(nèi)部DC/DC變換器的開關(guān)頻率,為300kHz。電感額定電流應(yīng)大于ICHG[1+LIR/2]。

4.5 充電時間設(shè)置

MAX1758內(nèi)含4個定時時間設(shè)置功能,即預(yù)充、快充、滿充、頂端截止充電時間。在TIMER1外接電容可設(shè)置預(yù)充、滿充和頂端截止充電過程的時間限制,在TIMER2上外接電容可設(shè)置快充時間限制。充電速率為1C時,典型充電時間設(shè)置為(TIMER1與TIMER2的外接電容均為1nF):預(yù)充時間為7.5分鐘、快充時間為90分鐘、滿充時間為90分鐘、頂端終止充電時間為45分鐘。

5 過充、過放保護

單片機P87LPC767的主要功能是實時監(jiān)測外供電電壓、電池電壓、負載電壓和電池溫度,并根據(jù)監(jiān)視參數(shù)的狀態(tài)實現(xiàn)對電池過充、過放、過溫、負載過流的保護,以及與主CPU進行參數(shù)交換。

P87LPC767有四個A/D轉(zhuǎn)換接口,分別用于監(jiān)測外供電電壓、電池電壓、負載電壓和電池溫度。工作時P87LPC767每20毫秒就對外供電電壓進行一次A/D轉(zhuǎn)換,讀取外供電電壓值。一旦外供電電壓低于設(shè)定值時,P87LPC767就打開功率MOSFETQ1,將負載供電切換到電池上,如圖3。P87LPC767每秒鐘檢測一次電池電壓、負載電壓和電池溫度,判斷電池是否需要充電。若電池電壓低于設(shè)定的值,而外供電電壓和溫度都滿足充電的條件,則打開MAX1758,對電池充電,補充電池能量。當(dāng)電池給負載供電,電池電壓低于安全放電的電壓值(每節(jié)電池電壓低于2.4V)時,P87LPC767立刻將Q1關(guān)斷,防止電池過放,并將負載、MAX1758等外圍電路關(guān)閉,轉(zhuǎn)入低功耗工作模式,以節(jié)省耗電,等待外供電電壓恢復(fù)正常時,再重新啟動。如果檢測到負載電壓過低,會認為是過流引起的,也將立即關(guān)閉負載,轉(zhuǎn)入低功耗工作模式,等待外部喚醒。這樣,P87LPC767可以實現(xiàn)電池以及負載電路的保護,使得儀器在外部供電電源不太穩(wěn)定的環(huán)境下可以長期穩(wěn)定地工作。

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