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锂电池充电电路设计
文章来源:永阜康科技 更新时间:2021/5/20 15:55:00

通常为了提高电池充电时的可靠性和稳定性,我们会用电源管理芯片来控制电池充电的电压与电流,但是在使用电源管理芯片设计充电电路时,我们往往对充电电路每个时间段的工作状态及电路设计注意事项存在一些困惑。
 
1、电池充电方式简介 

理论上为了防止因充电不当而造成电池寿命缩短,我们将电池的充电过程分为四个阶段:涓流充电(低压预充,此状态的电池电压比较低,实际使用时,建议将锂电池欠压保护点提高,避免电池出现过放电现象)、恒流充电、恒压充电以及充电终止。


典型的充电方式是:先检测待充电电池的电压,在电池电压较低情况下,先进行预充电,充电电流为设定的最大充电电流的1/10,当电池电压升到一定值后,进入标准充电过程。标准充电过程为:以最大充电电流进行恒流充电,电池电压持续稳定上升,当电池电压升到接近设定的最大电压时,改为恒压充电,此时,充电电流逐渐下降,当电流下降至最大充电电流的1/10时,充电结束。
 
阶段1:涓流充电——涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时采用涓流充电,涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1c(以恒定充电电流为1A举例,则涓流充电电流为100mA)。
 
阶段2:恒流充电——当电池电压上升到涓流充电阈值以上时,提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高,一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V。
 
阶段3:恒压充电—— 当电池电压上升到4.2V时,恒流充电结束,开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度,随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少,当减小到0.01C时,认为充电终止。(C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法,如电池是1000mAh的容量,1C就是充电电流1000mA。) 
 
阶段4:充电终止——有两种典型的充电终止方法:采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流,并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时,持续充电两个小时后终止充电过程。


2、电池充电电路设计注意事项 

若设计的充电电路没有防倒灌保护,将会产生许多危害。以输出端接2节锂电池串联为例,若仅将电源去除,充电器没有移除,电池内的电流倒灌至充电电路中,导致电池电量白白损失。且更严重的安全隐患是:对于降压电源芯片来说,电池电流从输出端,经芯片内部功率管寄生的二极管倒灌至芯片的VIN端,当电路的输出端电压(电池电压)低于设定值时,芯片FB点电压相应的也会低于标称值,芯片开始工作来提高输出端电压;由于输入端电压几乎与输出端相等,对于降压芯片来说,输入端无法给输出端提供能量,导致FB点电压一直低于标称值,芯片进入占空比100% 的工作状态。此时若是输入端突然恢复供电,输入端电源会经过已经打开的功率管直接把能量输送到输出端,由于输入输出存在压差,瞬间会有比较大的电流流过功率管,若此时由于其它不可控的原因导致芯片未能及时有效做出响应来关闭功率管,这个大电流有可能会使芯片内部开关管损坏。因此在设计电池充电电路时,我们需要添加防倒灌的措施。

升压方案由于续流二极管可以起到防倒灌的作用,所以一般不外加防倒灌措施。但是对于降压方案,需要对电池充电电路添加防倒灌措施。

以XL4301锂电池充电电路为例,如图2、图3所示(红色虚线框中为防电流倒灌电路)。输入12V,输出接单节锂电池(3.1V-4.3V),最大充电电流0.8A;其中最大充电电流 IOUT=VCS/RCS=0.11/0.137≈0.803A,最大充电电压 VOUT=VFB*(1+R2/R1)=1.25*(1+7.87/3.3)≈4.231V。

图2电路中,我们选择一个肖特基二极管防止电流倒灌,这是简单有效的方法。为降低肖特基D2温度,选用的肖特基电流能力是充电电流2倍以上。


由于肖特基压降比较大,会增加系统损耗;为减小防倒灌电路产生的损耗,我们可以采用MOS管来防止电流倒灌,如图3正常工作时,PMOS管导通,电流经过MOS管给锂电池充电,MOS管功耗较小;当输入端断电时,PMOS关断,起到防止电流倒灌的作用。其中DZ1的选取遵循VOUT<VDZ1 <VIN。


备注:当输出端电压小于8.4V时,电路中DZ2与R6可以省去。
 
充电流程


手机充电器的工作流程一般为:1. 检测电池的电压,如果低于一个阈值电压,就要进行涓流充电;2. 电池充到一定电压(一般设置为2.9V)时,进行全电流充电;3. 当电池电压达到预置电压(锂离子电池一般为4.2V)时,开始恒压充电,同时充电电流降低;4. 当电流逐渐减小到规定的值时,充电过程结束。
 
电池电压低于2.5V(Vshort)时,锂离子电池充电器用25mA的电流预充,防止深度放电的锂离子电池在快充时被损坏甚至发生危险。
 
对于电压过低的电池需要进行预充,电池电压低于2.5V(Vshort)时,锂离子电池充电器用25mA的电流预充,防止深度放电的锂离子电池在快充时被损坏甚至发生危险。
 
充电终止检测除电压检测外,还需采用其他的辅助方法作为防止过充的后备措施,如电池温度监测,检测电池温度用电池组温度传感器连续检测电池温度,当电池温度超出设定范围时关闭对电池充电。
 
限定充电时间,为电池提供附加保护。
 
除了上面的流程描述,它还具有自动重新充电、最小电流终止充电等特性。一般来说,恒压充电结束时的小电流充电过程中,电流的大小一般为恒流充电时电流的十分之一。目前在锂离子电池充电器的设计中,对手机充电结束后由于某种因素放电的情况而专门设计了检测电路,一旦检测到电池电压降低,就会重新启动充电过程(见上图)。
 
软件要做的工作是设置进入快速充电的电压阈值,进入恒压充电的电压阈值,充电超时时间,恒流充电的电流值,恒压充电的电压值,充电结束的电流阈值,中断处理,提供sys接口给上层都充电的状态,包括电池的类型,电池最高电压,电池最低电压,电池当前电压,电池电量的百分比,电池的状态,充电电流和电池温度等等。


 
 
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