锂离子电池充电器

2006-05-07 15:49:50来源: 国外电子元器件

锂离子电池具有较高的能量密度,与Nicd/NiMH电池、铅酸电池相比具有体积小、重量轻的优势,但对保护电路的要求较高,在电池的使用中需严格避免出现过充电、过放电现象,锂离子电池充电方式为恒流-恒压方式,一般通过检测充电电池的电压来凌判断电池是否充满,要有效利用电流容量往往需要较高的电压检测精度(精度高于1%)。为保证安全充电,充电终止检测除电压检测外还需采用其它的辅助方法作为防止过充的后备措施,如检测电池温度、限定充电时间。另外,由于锂离子电池出现过充电时同样会造成电池的损环,一般在电池充电前需要检测电池是否可充,通常在对锂离子电池进行快速充电时需保证每节电池电压高于2.5V,温度高于2.5℃、低于50℃,这就要求充电器具有预充过程。由此看来,虽然锂离子电池具有较高的性能指标,但对充电器的保护措施要求较高,如果用分离元件构成锂离子电池充电器,电路将十分复杂,而且设计时间较长。利用Maxim最新推出的MAX1757可以构成1节至3节锂离子电池充电器,这种芯片内置14V功率开关,简化了多节锂离子电池充电器的设计。在一些中等功率、高端便携式产品中。(如数字相机、摄像机等),一般采用2节至3节锂离子电池供电,选用MAX1757构成电流充电器非常合适。

1 充电器工作原理

图1电路是用MAX1757构成的1节至3节锂离子电池充电器,该充电器内部电路包括:输入调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。输入电流调节电路用于限值电源的总输入电流,包括:系统负载电流与充电电流,当检测到输入电流大于设定的限流门限时,通过降低电流充电电流可达到限值输入电流的目的,因为系统工作时电源电流的变化范围较大,如果充电器没有输入电流检测功能,则输入电源(墙上适配器或其它直流电源)必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和,这将使电源的成本增高、体积增大,而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求,同时也简化了输入电源的设计。图1中利用MAX1757的CSSP引脚与CSSN引脚之间的外接电阻R1来检测输入电流,ISETIN引脚设置检测门限,需要注意的是,电阻R1上的压差使充电器的功耗增大、效率降低,为减小压差,一般应选择较小的电阻值,但过小的阻值会使内部输入检流放大器的失调电压增大,从而降低电流检测精度,因此,应综合考虑、适当选择R1。

电压检测电路可与电流检测电路分别对电池电压和充电电流进行调节、监测。最大充电电流由ISETOUT引脚的电压值确定,电流充电终止电压限定为4.2V,通过VADJ引脚的外接分压电阻可在4.0V至4.4V之间调节,电流节数由CELL引脚设置,CELL引脚接GND、浮空或接REF分别表示电池节数为1节、2节、3节。MAX1757的电压检测精度为±0.8%。电压检测和电流检测结果送入主控制器,主控制器驱动内部高边MOSFET导通或断开以达到控制朝阳区电电流或限制电池电压的目的。

定时器和温度检测器为电池充电提供附加保护,由于充电效率达不到100%,充电时间限定值应留有裕量。温度传感器应接在THM和GND之前,应靠近电池安装,温度传感器可选择具有负温度系数的热敏电阻,+25℃时阻值为10kΩ,Philips、Cornerstone传感器公司、Fenwall电子公司均可提供适当的产品,MAX1757以1.2Hz的频率检测电流温度。

2 充电器状态流程

MAX1757内置充电状态控制,状态流程图如图2所示,图3是充电过程曲线图,充电过程分为预充、快充和满充三个部分:

2.1 预充(PREQUAL)

在安装好电池后,接通输入直流电源,当充电器检测到VDCIN>VBATT时则将定时器复位,从而进入预充过程,在此期间充电器以快充电流的1/10给电流充电,使电流电压、温度恢复到正常状态,预充时间由TIMER1的外接电容确定,如果在规定的充电时间内电流电压达到2.5V以上,电流温度正常(高于2.5℃、低于50℃),充电进入快充过程;如果电池电压低于2.5V,则认为电流不可充电,充电器显示电池故障。

2.2 快充(Fast-Charge)

快充过程也称恒流充电,此时充电器以恒定电流ICHG对电池充电。根据电流厂商推荐的充电速率,一般对于锂离子电池大多选用1C充电速率,充满电流需要1个小时多一点的时间。恒流充电时,电池电压将缓慢上升,一旦电池电压达到所设定的终止电压(一般为4.1V或4.2V),恒流充电终止,充电电流快速递减,充电进入满充过程。

2.3 满充与顶端截止充电过程

在满充过程中,充电电流逐渐衰减,直到充电速率降低到C/10(默认设置为电流递减到330mA)以下或满充时间超时时,转入顶端截止充电;顶端截止充电时,充电器以极小的充电电流为电池补充能量。由于充电器在检测电池电压是否达到终止电压时有充电电流通过电流内阻,尽管在满充和顶端截止充电过程中充电电流逐渐下降,减小了电流内阻和其它串联电阻对电流端电压的影响,但串联在充电回路中的电阻形成的压降仍然对电池终止电压的检测有影响,顶端截止充电为最大限度地被充电流能量起到了重要作用,一般情况下,满充和顶端终止充电可以延长电池5%~10%的使用时间。

3 充电器参数设置

3.1 电池终止电压设置

通过VADJ引脚的外接分压电压可设置电池充电终止电压,分压电阻精度为1%、电阻值低于100kΩ。电流充电终止电压与电流的化学特性和电池构造有关,具体参数由电池厂商提供。VADJ引脚的电压VVADJ与电流充电终止电压(VBATTR)、电流节数(N)、基准电压(VREF)之间的关系由下式确定:

VVADJ=(9.5BATTR/N)-(9.0×VREF)

3.2 充电电流设置

快充过程的充电电流由ISETOUT引脚的电压值(VIESTOUT)决定,该电压由连接在REF和GND之间的分压电阻调节。当ISETOUT引脚接REF时,电流为最大值(1.5A)。ICHG与VIESTOUT的关系式如下:

ICHG=1.5A×(VIESTOUT/VREF)

3.3 输入限流设置

输入限流门限IIN由ISETIN引脚的电压确定,根据下式可确定IIN的值。

ICHG=IFSS(ISETIN/VREF)

式中:IFSS=0.1V/R1

3.4 选择电感

电感值与电流纹波的大小有关,选用较大的电感时电流纹波较小,但如果电感的物理尺寸相同时,电感值越大,通常电感的等效串联电阻和额定电流较小,从总体指标考虑,电流纹波一般设置为平均充电电流的30%至50%,假设纹波电流与直流充电电流之比为LIR,则电感值由下式确定:

L=[VBATT(VDCIN(MAX)-VBATT)]/[VDCIN(MAX)foscICHGLIT]

式中:fosc为充电器内部DC-DC变换器的开关频率,为300kHz。电感额定电流应大于ICHG[1+LIR/2]。

3.5 充电时间设置

MAX1757内含四个定时时间设置功能,即预充、快充、满充、顶端截止充电时间。在TIMERT1外接电容可设置预充、满充和顶端截止充电过程的时间限制,在TIMER2上外接电容可设置快充时间限制,充电速率为1C时,典型充电时间设置为(TIMER1与TIMER2的外接电容均为1nF):预充时间为7.5分钟、快充时间为90分钟、满充时间为90分钟、顶端终止充电时间为45分钟。TIMER1与TIMER2的外接电容与充电时间的关系如图4所示。

4 外接监则

MAX1757带有三个电池充电状态指示输出端FASTCHG、FULLCHG和FAULT,这些端口均为漏级开路输出,可用于驱动LED。FASTCHG用于指示充电器处于快充状态,为恒流充电模式;FULLCHG表示充电器已完成快充状态(电流容量接近85%)而处于恒压充电模式;FAULT则表示充电器检测到充电故障,充电已经终止。表1所列为充电状态指示选择方式。如果将FASTCHG与FAULT配合使用,则表示电流正在充电或充电结束。当检测到充电故障时,输入电源重新上电或通过控制SHDN引脚重新启动一次充电过程。

表1 充电状态指示

充电器状态 FASTCHG FULLCHG FAULT
预充 低电平 高电平 高电平
快充 低电平 高电平 高电平
满充 高电平 低电平 高电平
终端截止 高电平 高电平 高电平
充电终止 高电平 高电平 高电平
故障 高电平 高电平 低电平

综上所述,合理设置MAX1757的外部元件参数,配合充电器状态指示功能即可构成一个完备的锂离子电流充电器。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2231.html
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