鋰電池在線(xiàn)充放電管理電路的設計

摘要：介紹鋰離子電池的優(yōu)勢和對保護電路要求高的特點(diǎn)，用P87LPC767單片機做控制，MAX1758做充電管理，設計了一種在線(xiàn)式的鋰離子電池充放電管理電路，并給出了充電參數的設置方法和充放電控制的狀態(tài)流程。為應用鋰離子電池和外電池供電的雙電源儀器的設計提供一種參考。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 在線(xiàn)式 充放電管理 P87LPC767單片機 MAX1758芯片

1 鋰離子電池的特點(diǎn)

近幾年來(lái)，便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展促進(jìn)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、高內阻、高電池電壓、高循環(huán)次數、低自放電等特性，脫穎而出，迅速成為市場(chǎng)的主流。據統計，在筆記本電腦和移動(dòng)電話(huà)領(lǐng)域，鋰離子電池的市場(chǎng)占用率分配為90%和60%。根據日本矢野經(jīng)濟研究所的預測，鋰離子電池正在53.33%的年增長(cháng)率快速取代傳統的鎳鉻和鎳氫電池市場(chǎng)。

雖然鋰離子電池有以上所說(shuō)的種種優(yōu)點(diǎn)和良好的市場(chǎng)前景，但它對保護電路的要求比較高，在使用過(guò)程中應嚴格避免出現過(guò)充電、過(guò)放出現象，放電電流也不宜過(guò)大，一般而言，放電速率不應大于0.2C。鋰電池的充電過(guò)程如圖1所示。在一個(gè)充電周期內，鋰離子電池在充電開(kāi)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：每節電池2.5V～4.2V；范圍范圍是：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充過(guò)程，使電池滿(mǎn)足快速充電的條件；然后，根據電池廠(chǎng)商推薦的快速充電速率，一般為1C，充電器對電池進(jìn)行恒流充電，電池電壓緩慢上升；一旦電池電壓達到所設定的終止電壓（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(jìn)入滿(mǎn)充過(guò)程；在滿(mǎn)充過(guò)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(mǎn)充時(shí)間超時(shí)時(shí)，轉入頂端截止充電；頂端截止充電時(shí)，充電器以極小的充電電流為電池補允能量。頂端截止充電一段時(shí)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度并不如充電電壓精確，但亦必須配合適當的過(guò)放電延遲時(shí)間，以同時(shí)兼顧最大使用電量與過(guò)放電保護的要求。當電池進(jìn)行放電動(dòng)作、電池電壓低于過(guò)放電保護電壓時(shí)，應當關(guān)閉電池放電，避免電池過(guò)放電現象發(fā)生。當放電電流過(guò)大，保護電路應該關(guān)閉電池放電，執行過(guò)放電電流保護功能。至于保護電流的大小，可以根據負載的大小加以設定。值得注意的是：保護電路不能因為負載需要短時(shí)間的大電流而誤動(dòng)作，保護電路必須提供不同的過(guò)放電電流保護延遲時(shí)間，提高工作的穩定性。

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

2 在線(xiàn)充放電管理的電路結構

由于鋰離子電池對保護電路要求比較高，在設計充電和放電電路時(shí)，應該充分考慮到可能出現的各種情況，并加以保護，以確保電池安全工作。在實(shí)際設計中，需要將鋰離子電池應用在長(cháng)期無(wú)人看守的儀器中，要求充放電管理電路可自動(dòng)監測鋰離子電池、外部供電以及負載的狀態(tài)，并做出相應的動(dòng)作，以確保負載長(cháng)期穩定地工作，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(lái)實(shí)現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(shí)時(shí)監測，完成外部供電電壓和內部電池電壓的實(shí)時(shí)切換。充放電管理電路的結構如圖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構成的1～4節鋰離子電池充電管理電路。MAX1758芯片內部電路包括：輸入調節器、電壓檢測器、充電電流檢測器、定時(shí)器、溫度檢測器和主控制器。

輸入電流調節電路用于限制電源的總輸入電流，包括系統負載電流和充電電流。當檢測到輸入電流大于設定的限流門(mén)限時(shí)，通過(guò)降低充電電流可達到限制輸入電流的目的。因為作時(shí)電源電流的變化范圍較大，如果充電器沒(méi)輸入電流檢測功能，則輸入電源（墻上適配器或其它直接電源）必須能夠提供最大負載電流與最大充電電流之和。這將使電池的成本增高、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(shí)也簡(jiǎn)化了輸入電源的設計。圖2中利用MAX1758的CSSP引腳與CSSN引腳之間的外接電阻R1來(lái)檢測輸入電流，ISETIN引腳設置檢測門(mén)限。需要注意的是：電阻R1上的壓差使充電器的功耗弱大、效率降低。為減小壓差，一般應選擇較小的電阻值；但過(guò)小的阻值會(huì )使內部輸入檢流放大器的失調電壓增大，從而降低電流檢測精度。因此，應綜合考慮，選擇適當的R1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(jìn)行調節、監測。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(guò)VADJ引腳的外接分壓電壓在4.0V～4.4V之間調節。電池節數由CELL引腳設置，CELL引腳接GND、浮空、接REF、接VL分別表示電池節數為1節、2節、3節、4節。MAX1758的電壓檢測精度為±0.8%。電壓檢測和電流檢測結果送入內部主控制，主控制器通過(guò)驅動(dòng)內部MOSFET導通或斷開(kāi)以達到控制電流或限制電池電壓的目的。

定時(shí)器和溫度檢測器為電流充電提供附加保護。由于充電效率達不到100%，充電時(shí)間限定值應留而余量。溫度傳感器應接在THM和GND之前，靠近電池安裝。溫度傳感器可選擇具而負溫度系數的熱敏電阻，+25℃時(shí)阻值為10kΩ。Philips、Cornerstone傳感器公司、Fenwall電子公司均可提供適當的產(chǎn)品。MAX1758以1.2Hz的頻率檢測電池溫度。

4 充電參數設置

4.1 電池終止電壓設置

通過(guò)MAX1758的VADJ引腳外接分壓電阻可以設置電池充電終止電壓，分壓電阻應選擇阻值低于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)特性和內容構造而關(guān)，具體參數由電池廠(chǎng)商提供。VADJ引腳的電壓（VVADJ）與電池充電終止電壓（VBATTR）、電池節數（N）、基準電壓（VREF）之間的關(guān)系由下式確定：

VVADJ=(9.5VBATTR/N)-(9.0×VREF)

4.2 充電電流設置

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

ICHG=1.5A×(VIESTOUT/VREF)

4.3 輸入電流限制

輸入限流門(mén)限IIN由ISETIN引腳的電壓確定，根據下式可確定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而關(guān)。選用較大的電感時(shí)電流彈頭波較小，但如果電感的物理尺寸相同時(shí)，電感值越大，通常電感的等效串聯(lián)電阻和額定電流較小。從總體指標考慮，電流紋波一般設置為平均充電電流的30%～50%。假設紋波電流與直流充電電流之比為L(cháng)IR，則電感值由下式確定：

L=[VBATT(VDCIN(MAX)-VBATT)]/[VDCIN(MAX) ×fosc×ICHG×LIR]

式中：fosc為充電器內部DC/DC變換器的開(kāi)關(guān)頻率，為300kHz。電感額定電流應大于ICHG[1+LIR/2]。

4.5 充電時(shí)間設置

MAX1758內含4個(gè)定時(shí)時(shí)間設置功能，即預充、快充、滿(mǎn)充、頂端截止充電時(shí)間。在TIMER1外接電容可設置預充、滿(mǎn)充和頂端截止充電過(guò)程的時(shí)間限制，在TIMER2上外接電容可設置快充時(shí)間限制。充電速率為1C時(shí)，典型充電時(shí)間設置為（TIMER1與TIMER2的外接電容均為1nF）：預充時(shí)間7.5分鐘、快充時(shí)間為90分鐘、滿(mǎn)充時(shí)間為90分鐘、頂端終止充電時(shí)間為45分鐘。

5 過(guò)充、過(guò)放保護

單片機P87LPC767的主要功能是實(shí)時(shí)監測外供電電壓、電池電壓、負載電壓和電池溫度，并根據監視參數的狀態(tài)實(shí)現對電池過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫、負載過(guò)流的保護，以及與主CPU進(jìn)行參數交換。

P87LPC767而四個(gè)A/D轉換接口，分別用于監測外供電電壓、電池電壓、負載電壓和電池溫度。工作時(shí)P87LPC767每20毫秒就對外供電電壓進(jìn)行一次A/D轉換，讀取外供電電壓值。一旦外供電壓低于設定值時(shí)，P87LPC767就打開(kāi)功率MOSFET Q1，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。若電池電壓低于設定的值，而外供電電壓和溫度都滿(mǎn)足充電的條件，則打開(kāi)MAX1758，對電流充電，補充電池能量。當電池給負載供電，電池電壓低于安全放電的電壓值（每節電池電壓低于2.4V）時(shí)，P87LPC767立刻將Q1關(guān)斷，防止電池過(guò)放，并將負載、MAX1758等外圍電路關(guān)閉，轉入低功耗工作模式，以節省耗電，等待外供電壓恢復正常時(shí)，再重新啟動(dòng)。如果檢測到負載電壓過(guò)低，會(huì )認為是過(guò)流引起的，也將立即關(guān)閉負載，轉入低功耗工作模式，等待外部喚醒。這樣，P87LPC767可以實(shí)現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定的環(huán)境下可以長(cháng)期穩定地工作。