一款USB接口的鋰離子電池充電電路設計方案

摘要：

個(gè)人電腦(PC機)已得到廣泛應用，而USB接口也已成為PC機上的標準外設接口之一。另一方面，使用鋰離子電池的手機、數碼相機、MP3播放器等便攜設備大量涌現。如何利用隨處可見(jiàn)的電腦USB接口為這些設備所用的鋰離子電池充電，是目前USB接口應用的一個(gè)熱點(diǎn)。

鋰離子電池及USB接口概述

鋰離子(Li-ion)電池，簡(jiǎn)稱(chēng)鋰電池，是近年來(lái)逐漸普及使用的一種新型電池，具有體積小、重量輕、容量大(能量密度高)、自放電率低以及無(wú)記憶效應等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也有一些致命的缺陷:對充電、放電的要求比較苛刻，不能過(guò)充和過(guò)放，否則容易造成不可逆轉性損壞，在短路、過(guò)充等極端情況下還有可能發(fā)生爆炸，產(chǎn)生危險。

一般鋰電池單節標稱(chēng)電壓為316～317V，充電時(shí)，一般要求采用限壓限流法，首先恒流充電，即電流一定，充電電流按國家標準規定的低倍率充電是 0.2C(仲裁充電制式)，最大不超過(guò)1C;而電池電壓隨著(zhù)充電過(guò)程逐步升高，當電池端電壓達到終止電壓412±0105V時(shí)，應改恒流充電為恒壓小電流 (約011C)充電，這個(gè)狀態(tài)一般稱(chēng)為涓流充電狀態(tài)。充電電流根據電芯的飽和程度，隨著(zhù)充電過(guò)程的繼續逐步減小，當減小到0101C時(shí)，認為充電終止。

USB接口是英文UniversalSerialBus的縮寫(xiě)，中文含義是“通用串行總線(xiàn)”。它是一種應用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。USB使用一個(gè)4針插頭作為標準插頭與外部設備進(jìn)行連接。在這個(gè)4針插頭中， 有兩針為數據通信線(xiàn)，而外側的兩針則為外部設備提供電源。按照USB規范，每個(gè)USB接口應能提供500mA的電流輸出;由USB主機或帶電源的集線(xiàn)器提供的USB接口，所接外設端的最小可用電壓為4.5V，而由USB總線(xiàn)驅動(dòng)的集線(xiàn)器能提供的最小則應為4.35V。值得注意的是，雖然USB規范定義了提供的電流上限不得超過(guò)015A，但實(shí)際上USB端口輸出的電流經(jīng)常超過(guò)幾安培。

由以上分析可以看出，利用USB接口為鋰電池充電，電流方面應該是足夠的，關(guān)鍵是如何控制電流的大小。另外，使用電壓最小為4.35V的USB接口給典型要求為4.2V的鋰電池充電時(shí)，電壓上只有很小的裕度，這使得充電電路的壓降變得極為重要，是設計的難點(diǎn)。

基于PC機USB接口充電電路設計方案

(1)方案一

圖1是市面上的一些“USB充電線(xiàn)”的內部電路。其主要原理是利用電阻限定最大電流，利用二極管的壓降(約0.7V)把USB接口5V左右的輸出電壓降到 4.2V左右然后對鋰電池充電。這個(gè)電路具有簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：充電電流和充電電壓因USB接口的不同以及電池狀態(tài)的不同而有所不同，基本上無(wú)法把握，在很多時(shí)候電池極有可能充不滿(mǎn)(充電電壓達不到4.2V)，而有時(shí)候則可 能會(huì )過(guò)充而損壞電池。這個(gè)電路對一些內部具有完善保護電路的鋰電池來(lái)說(shuō)尚可接受，而對普通鋰電池則有一定危險性。

(2)方案二

圖2是由MAX1551/1555構成的一種實(shí)用USB鋰電池充電電路。MAX1551/1555是MAXIM公司設計生產(chǎn)的USB單節鋰電池充電芯片，為5引腳薄型SOT23封裝，允許USB接口或者墻壁A(yíng)C適配器3.7V～7V范圍的電壓輸入。芯片內部還具有溫度限制電路。

對于這個(gè)電路，當連接到USB口、但無(wú)墻壁A(yíng)C適配器的DC電源時(shí)，充電電流被設定為100mA(最大值)。這樣在不需要端口通信的情況下，就允許從供電的 或未供電的USB口充電。當DC電源接通后，充電電流被設定為280mA(典型值)，同時(shí)USB接口的輸入自動(dòng)被切斷。如果兩個(gè)輸入端都無(wú)電壓輸入，電路 則自動(dòng)截止，這時(shí)電池的反向漏電流小于5uA，無(wú)需外加二極管來(lái)防止電池漏電而發(fā)生損耗。

當電池電壓低于3V時(shí)，會(huì )進(jìn)入充電電流被限定為40mA的預充電模式(涓流充電狀態(tài))，只有當電池被充到3V以上時(shí)才進(jìn)入正常的充電模式(100mA或 280mA)。這樣的模式保護了深度放電的電池。圖3和圖4分別是用DC電源盒USB接口作為輸入的電池電壓與充電電流的關(guān)系曲線(xiàn)。

另外，對于MAX1551“，/POK”用于指示輸入電源是否接通(輸入電壓3。95V時(shí)輸出低電平);而對于MAX1555“，/CHG”用于指示充電狀態(tài)(當充電電流大于50mA時(shí)輸出低電平)，其他的特性參見(jiàn)MAX1551/1555的數據手冊。

(3)方案三

應該說(shuō)，方案二是一個(gè)安全、各方面考慮比較周全和完善的USB鋰電池充電方案。但該方案的缺點(diǎn)在于：充電電流被固定在100mA或280mA左右，特別是在 USB接口供電時(shí)，只能是100mA的充電電流對于容量較大電池來(lái)說(shuō)，需要花費相當長(cháng)的充電時(shí)間。另外一個(gè)缺點(diǎn)是沒(méi)有充電定時(shí)功能，充電的結束與否不能進(jìn)行人為控制。圖5是另一個(gè)實(shí)用USB接口充電電路，使用LTC4053作為設計核心，既保持了方案二的優(yōu)點(diǎn)又解決了上述不足。

LTC4053是凌特(Linear)公司推出的一款可以從一個(gè)USB接口直接供電的鋰離子電池用獨立型定時(shí)終止恒流/恒壓線(xiàn)性充電器IC，為10 腳MSOP封裝?？梢灾苯佑蒛SB接口對單節鋰電池進(jìn)行充電，也可以允許使用墻壁A(yíng)C適配器的DC電源作為供電電源。所需的輸入電壓范圍是 4.25V～6.5V。包括一個(gè)片內功率MOSFET管。這個(gè)芯片的最大特點(diǎn)是允許設計者自行設定充電電流和充電時(shí)間，充電終止電壓則已預設為4.2V。

在圖5中，充電電流是由LTC4053的PROG(7)引腳上的電阻R來(lái)設定的，其計算公式為:R=1500V/ICHG，例如要設定的充電電流為 500mA，則R=1500V/015A=3kΩ。充電電流最大可設為1125A。圖6為充電電流與電池電壓的關(guān)系曲線(xiàn)圖。

LTC4053的TIMER(4)引腳上的電容C用于設定充電時(shí)間，計算公式為:T(小時(shí))=C(uF)?3/011uF。當C=011uF時(shí)，充電時(shí)間為3小時(shí)。

這個(gè)電路具有類(lèi)似方案二預充電模式的涓流充電模式，并特有故障電池檢測功能：當電池電壓低于2.48V時(shí)，以全標度電流的10%涓流充電;如果這種狀態(tài)持續的時(shí)間超過(guò)總充電時(shí)間的四分之一，則認為電池已損壞而停止充電循環(huán)。

LTC4053本身具有完善的溫度檢測和補償、調整功能，可以允許用戶(hù)安全地以較大電流充電從而大大減少充電時(shí)間，圖7為充電電流與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線(xiàn)圖。同樣，當LTC4053無(wú)電壓輸入時(shí)，電路能自動(dòng)截止，反向漏電流小于5uA，無(wú)需外加二極管來(lái)防止電池漏電，避免了電池的損耗。

LTC4053還具有完善的控制、狀態(tài)指示等功能，具體的請參考芯片手冊。

結語(yǔ)

毫無(wú)疑問(wèn)，在這三個(gè)方案中，第三個(gè)方案的功能是最完善，其設計應用的靈活性也最大的，但芯片的引腳較多，器件成本可能也比別的方案要高些。在實(shí)際中，我們可以根據用途、成本等實(shí)際情況來(lái)選擇不同的方案以滿(mǎn)足不同的要求。隨著(zhù)集成電路技術(shù)的發(fā)展、新器件的不斷推出，我們相信會(huì )有更多更好的USB充電方案出現。