基于BQ24610的智能鋰電池充電系統設計

1.概述

隨著(zhù)移動(dòng)電話(huà)、筆記本電腦、平板電腦等眾多便攜式電子設備的迅速普及應用，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(cháng)、充電可達幾百次甚至上千次;自放電率低等優(yōu)點(diǎn)廣泛應用于可移動(dòng)便攜式電子產(chǎn)品中。因此，設計一套高精度鋰離子充電管理系統對于鋰離子電池應用是至關(guān)重要的，嚴格防止在電池的使用中出現過(guò)充電、過(guò)放電等現象。

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(lèi)電源管理方案已經(jīng)接近成熟，但是往往成本較高，不太符合應用于便攜式分子篩制氧機設計中。結合成本與性能的考慮，最后我們選擇BQ24610芯片作為主芯片，結合外圍電路，來(lái)設計便攜式分子篩制氧機電源管理模塊。

BQ24610是TI公司生產(chǎn)，可以實(shí)現5V-28V鋰電池充電管理。充電控制器與傳統的控制器相比較，效率更高，散熱更少;充電電壓及電流的準確度接近百分之百，有助于延長(cháng)電池使用壽命;集成型獨立解決方案可提高設計靈活性，縮小整體解決方案尺寸，更有利于廣泛應用于便攜式設備中;動(dòng)態(tài)電源管理可在電池充電時(shí)仍可為系統供電，最大限度地提高適配器功率[3].本文就通過(guò)在實(shí)際中的探索，對電池充電控制器和選擇器芯片BQ24610的基本性能、工作原理、參數設置及應用中出現的問(wèn)題進(jìn)行了分析，給出了相應的典型應用電路設計。

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內部下拉電阻。STAT1(引腳5)：漏極開(kāi)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系數檢測。TTC(引腳7)：安全時(shí)間和終止控制。(引腳8)：開(kāi)漏輸出狀態(tài)良好指示。STAT2(引腳9)：漏極開(kāi)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置。VFB(引腳12)：輸出電壓模擬反饋調整。SRN(引腳13)：

電池電流誤差放大器負輸入。SRP(引腳14)：

電池電流誤差放大器正輸入。I S E T 2 (引腳15)：預充電和終止當前輸入設置。ACSET(引腳16)：適配器當前輸入設置。BATDRV (引腳23)：電池和系統之間的MOSFET驅動(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充、快充和終止階段。

當接通電源，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，電壓持續上升，當電壓達到調節電壓時(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負責管理充電電流。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載供電，當處于上電狀態(tài)或者睡眠模式的時(shí)候，電池連到負載。當電池跳出睡眠模式30ms,電池自動(dòng)與負載斷開(kāi)，適配器與電池相連。一個(gè)自動(dòng)閉合邏輯防止轉換器轉換的時(shí)候電流擊穿。每次確保輸出電容或者電源轉換器沒(méi)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)充電器調節電流。

3.便攜式制氧機中的鋰離子電池充電管理系統的設計與應用

依據參數要求，我們結合BQ24610的特性設計了一套適合四節鋰離子電池的充放電系統，電路圖如圖3所示。該系統是給便攜式分子篩制氧機供電，實(shí)現了以下設計：

圖3 鋰離子電池的充放電電路

3.1 適配器或電池供電的設計

主要通過(guò)兩個(gè)P溝道的MOSFET實(shí)現。BQ24610能夠自動(dòng)控制實(shí)現適配器或者電池給負載供電，當系統啟動(dòng)或者進(jìn)入睡眠模式時(shí)，電池默認與系統連接，當退出休眠模式30ms,電池自動(dòng)與系統斷開(kāi)，適配器與系統連接。每次進(jìn)入快速充電，當確定沒(méi)有過(guò)充、輸出電容和電源轉換器沒(méi)有過(guò)壓現象時(shí)，系統自動(dòng)軟啟動(dòng)充電電流管理。當CE引腳的狀態(tài)指示燈亮表明系統進(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計

通過(guò)分壓法采集電池電量AD信號，通過(guò)I/O口傳輸給單片機，單片機對信號進(jìn)行處理做出反應。電池充電狀態(tài)的顯示是通過(guò)兩個(gè)LED燈(STAT1、STAT2)，實(shí)現充電與充電完成狀態(tài)顯示。當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，這能夠阻止引起提振效應的負面感應電流。提振效應能夠隨著(zhù)電池到輸入電容的輸入電壓增大，導致VCC引腳過(guò)壓，引起系統損壞。輸入過(guò)壓和低壓保護，能夠有效的預防過(guò)壓或低壓對系統造成的損壞。電池的過(guò)壓保護，充電電流過(guò)流保護，熱關(guān)機保護等一系列的保護措施能夠大大提高系統的安全性。

3.3 系統電壓低于12V時(shí)系統自動(dòng)關(guān)機的設計

通過(guò)一個(gè)含有最大限制電壓是30V的P溝道MOSFET和一個(gè)分流基準源實(shí)現，在此部分電路中電阻R43,R44需要滿(mǎn)足12*R44/(R43+R44)=2.5,經(jīng)計算取R43=38K,R44=10K3.4 系統按鍵開(kāi)關(guān)的設計

含有按鍵開(kāi)關(guān)的S1部分能夠實(shí)現該功能，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(wú)輸出;當按下S1,C1充電，VT GS電壓上升至約3V時(shí)VT2導通，并迅速飽和，V1 GS電壓小于-4V,V1飽和導通，VOUT有輸出，發(fā)光管亮，C1通過(guò)R6、R12繼續充電，V1、VT2狀態(tài)被鎖定;當再次按下按鈕時(shí)，由于VT2處于飽和導通狀態(tài)，漏極電壓約為0VC1通過(guò)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(wú)輸出，發(fā)光管滅，C1通過(guò)R6、R12及外電路繼續放電，V1、VT2維持截止狀。

3.5 電流電壓參數的設計

3.5.1 預充電電流設計

電池的預充電電流IPRECHARGE由引腳ISET2的電壓確定，大小為充電電流的1/6.

根據公式(1)電池預充電電流為0.6A.

3.5.2 適配器電流設計

與電池的電流大小類(lèi)似，通過(guò)ACSET引腳的輸入來(lái)設置適配器的電流，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，根據公式(2)，充電電流設定為3.1A.

3.5.3 充電電壓設計

電池充電調整電壓VBAT通過(guò)電池和地之間的電阻進(jìn)行設定，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,根據公式(3)，該系統中充電電壓設定為16.8V.

3.5.4 充電電流的設計

通過(guò)ISET1引腳的輸入來(lái)設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，根據公式(4)，適配器電流設定為3.9A.

4.結論

通過(guò)試驗結果分析，充電電壓在16.5V左右浮動(dòng)，準確度超過(guò)95%,充電電流在3.1A左右浮動(dòng)，準確度超過(guò)99%.系統的輸入過(guò)壓過(guò)流保護、電池的過(guò)壓、過(guò)流保護，高溫保護準確度達到了99%.經(jīng)過(guò)多次試驗該電路能其要求的功能。

本文系統地分析了鋰離子電池充電控制集成電路芯片應用中常用到的技術(shù)問(wèn)題，并給出了在便攜式制氧機中的典型應用實(shí)例。根據系統對電池的應用需求，通過(guò)合理設置BQ24610的外部元件參數，就可構成一個(gè)功能完備的鋰離子電池充電器。該設計能夠很好的實(shí)現系統鋰離子電池充電器的功能，可作為有關(guān)設計人員對電池充電器進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的參考。該類(lèi)集成芯片系列較多，但在使用方法上存在許多類(lèi)似之處，這使得本文的分析討論在實(shí)際應用中具有重要的實(shí)用價(jià)值和參考價(jià)值，為電池充電電路設計者提供了有用的參考，同時(shí)也可為其他電子元件的應用提供參考。