智能鋰電池充電器設(shè)計與實現(xiàn)

高 倩，侯建軍，王 夢

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

鋰電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、環(huán)境溫度影響小等特點[1]，被廣泛應(yīng)用于移動手持設(shè)備，如手機、數(shù)碼相機、POS機等。鋰電池對充電器的要求苛刻[2]，使用錯誤的充電器，或錯誤的使用充電器，都可能造成安全問題，因此廠商通常為其設(shè)備提供接口各異參數(shù)不同的專用充電設(shè)備。在高能效需求的推動下，消費者和標(biāo)準(zhǔn)組織都要求通用電源接口，旨在讓不同廠商的終端設(shè)備都能夠使用標(biāo)準(zhǔn)化的AC/DC適配器或USB連接。這給電源設(shè)計工程師帶來了一個巨大的挑戰(zhàn)，因為充電模塊無法預(yù)知到大量的未知情況，充電過程中可能頻繁出現(xiàn)過流與過壓的問題，對充電及電池的使用造成了極大的安全隱患[3]。

本文為解決充電接口差異化以及充電過程中過流與過壓的問題，設(shè)計了基于BQ24152的通用、安全、高效、廉價的智能鋰電池充電器。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

充電系統(tǒng)由輸入單元、充電芯片單元、鋰電池單元和主芯片單元組成，如圖1。

圖1中，輸入電源為標(biāo)準(zhǔn)化的5 V/1 A AC/DC適配器或通過USB接口供電。為了區(qū)分這兩種輸入電源，本文把由標(biāo)準(zhǔn)化的5 V/1 A AC/DC適配器供電的供電方式稱為WALL充電器。把連接電腦的USB口，由 USB口供電的供電方式稱為USB充電器。在充電的過程中，主芯片實時檢測電池電壓、電池溫度和充電電流，并根據(jù)電池狀態(tài)對BQ24152的充電參數(shù)進行動態(tài)調(diào)節(jié)。

1.2 BQ24152 簡介

圖1 系統(tǒng)總體方框圖

BQ24152是一款專門為鋰電池充電的芯片，其正常工作電壓范圍為4.0 V～6.0 V，正常工作溫度范圍為0 ℃～125 ℃，充電電壓范圍為3.5 V～4.44 V，充電電流范圍為550 mA～1 250 mA，充電電壓調(diào)節(jié)精度為±0.5%（25 ℃）、±1%（0 ℃～125 ℃），充電電流調(diào)節(jié)精度為±5%。BQ24152的充電電流、充電電壓和充電終止電流都可以通過I2C總線（最高傳輸速率為3.4 Mbps）可編程控制，可以最大限度地提高電池的充電效率。具有比線性充電器充電速度快、電壓電流調(diào)節(jié)精度高以及與 USB 完全兼容等優(yōu)點[4]。采用BQ24152充電芯片可以有效延長電池的使用壽命、縮短電池充電時間、提高充電過程的安全性。

2 硬件設(shè)計

硬件部分由主芯片電路和BQ24152充電電路組成。硬件原理圖如圖2。

圖2 BQ24152充電硬件原理圖

在圖2中，Vin為電源輸入，Vin為WALL充電器或者USB充電器。主芯片電路中，主芯片通過SCL引腳為BQ24152芯片提供頻率為3.4 MHz的時鐘，通過STAT引腳和SDA引腳查詢充電狀態(tài)和進行充電參數(shù)配置，通過VBAT引腳檢測電池電壓，通過BAT_FET_N引腳控制Q1的開啟與關(guān)閉，通過BAT_CHG_N引腳控制Q2的開啟與關(guān)閉，通過CHG_FET_N引腳控制Q3的開啟與關(guān)閉，Q1、Q2和Q3的開啟與關(guān)閉控制著主芯片的供電電源。BQ24152充電芯片電路中，VAUX為1.8 V，VBUS引腳為芯片供電，SW引腳為芯片的輸出引腳，CSIN引腳和CSOUT引腳是充電電流的一個反饋回路，內(nèi)部芯片通過這兩點的電壓計算充電電流，SDA引腳是充電芯片與主芯片之間進行通信的連接通道，SCL引腳為充電芯片提供時鐘，STAT引腳為充電異常的輸出引腳，AUXPWR引腳為芯片的接地引腳，R(SNS)= 68 mΩ。

2.1 主芯片電路

主芯片電路的作用是實時檢測電池電壓、電池溫度和充電電流，并根據(jù)電池的狀態(tài)對充電芯片進行編程控制，最終實現(xiàn)對充電過程的控制。

當(dāng)外接充電器電壓在4 V～6 V時，滿足充電要求，主芯片開啟Q3，關(guān)閉Q2，開啟Q1，充電器為主芯片供電，充電芯片給電池充電，當(dāng)外接充電器無法承擔(dān)主芯片的需求時，主芯片開啟Q2，充電器和電池都為主芯片供電。當(dāng)外接充電器電壓不在充電范圍之內(nèi)或者外接充電器不在位時，主芯片關(guān)閉Q3，開啟Q2，關(guān)閉Q3，充電器與充電芯片隔離，電池單獨為主芯片供電。

當(dāng)外接充電器時，主芯片調(diào)整BQ24152進入充電模式，對電池進行充電，并根據(jù)電池電壓、電池溫度和充電電流實時調(diào)整BQ24152的充電配置，從而達到動態(tài)控制電池充電的目的。當(dāng)外接充電器不在位時，主芯片控制BQ24152進入高阻抗模式，關(guān)閉Q1，充電芯片停止對電池充電。

2.2 充電控制電路

充電控制電路對充電狀態(tài)進行實時反饋，并根據(jù)主芯片設(shè)置的充電電流、充電電壓對鋰電池進行充電。充電控制包括輸入過壓保護控制和充電控制。

輸入過壓保護控制：當(dāng)檢測到輸入電壓過高時，BQ24152關(guān)閉PWM轉(zhuǎn)換器，設(shè)置故障狀態(tài)位，并向STAT引腳發(fā)送脈沖，通知主芯片引腳輸入電壓為過電壓。一旦檢測到VBUS引腳電壓低于過壓閾值，立即清除故障標(biāo)志位，恢復(fù)正常的充電模式。芯片能承受的最高輸入電壓為20 V，當(dāng)輸入超過20 V時，需要增加額外的過壓保護電路。

充電控制：在充電開始階段，電池電壓低于V(SHORT)，充電芯片以較低的充電電流 I(SHORT)對電池充電，當(dāng)電池電壓高于V(SHORT)低于V(OREG）時，充電芯片以較大的充電電流I(OCHARGE)對電池充電，當(dāng)電池電壓高于V(OREG）時，充電芯片以恒定的充電電壓V(OCHARGE)對電池進行充電，隨著時間的推移，充電電流會不斷減小，當(dāng)充電電流減小到 I(TERM)時，電池充滿，充電結(jié)束。

3 軟件設(shè)計

根據(jù)電池電壓的狀態(tài)，把充電過程分為：空閑階段、涓流充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段和滿電階段。在不同的充電階段，不僅設(shè)置了合理的充電電流還增加了弱充電器、壞充電器、壞電池、電池溫度過高等異常情況的檢測與處理。軟件設(shè)計的目的是在保證充電安全的基礎(chǔ)上，盡量縮短充電時間，提高充電效率。

為了更好地說明整個充電過程，本文用充電狀態(tài)來表示充電階段，不同的充電狀態(tài)表示不同的充電階段。未考慮異常情況下，電池從低電狀態(tài)到滿電狀態(tài)的整個充電過程如圖3。

圖3 正常的電池從低電到滿電流圖

空閑狀態(tài)：等待充電的狀態(tài)，當(dāng)插入的充電器類型被識立即進入下一充電狀態(tài)，否則返回空閑狀態(tài)。

涓流充電狀態(tài)：以最小的充電電流對電池充電，以彌補電池充滿電后由于自放電而造成的容量損失。它的主要作用是提高電池的使用壽命，提高充電過程中的安全性。

恒流充電階段：以恒定的充電電流對電池進行充電，是整個充電過程中一個比較重要的階段，此階段完成了電池從低電狀態(tài)到接近滿電狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，此階段約完成70%的充電容量[5]。它的主要作用是讓電池快速充電，縮短充電時間。

恒壓充電階段：充電芯片以恒定的充電電壓對電池充電，充電電流隨著電池電壓的升高而逐漸降低。它的作用是使充電的安全性和電池的充滿度達到最大。

滿電狀態(tài)：標(biāo)志電池充滿的狀態(tài)，是一個不充電的狀態(tài)。

各個充電階段都需要實時監(jiān)測充電過程的異常，當(dāng)充電器電壓、電池電壓、電池溫度不滿足充電條件時，就進入了異常處理狀態(tài)。具體的處理方法如圖4。

圖4 異常狀態(tài)的處理過程

4 測試結(jié)果

選用WALL充電器（5 V/1 A）和USB充電器（5 V/500 mA），額定電壓為4.2 V，容量為2 200 mAh的鋰電池來驗證本設(shè)計方案。測試結(jié)果如圖5和圖6。圖中，USB代表USB充電器，充電器代表WALL充電器，測試結(jié)果分析如表1。

從表1可以看出：無論使用USB充電器還是WALL充電器，測得的充電電流和電池電壓跟設(shè)計的值十分接近，基本達到設(shè)計要求。使用USB充電器時，恒流充電時間占其總充電時間的百分比為73%，使用WALL充電器時，其恒流充電時間減少到USB充電器恒流充電時間的一半，而其恒壓充電時間幾乎與USB充電器恒壓充電時間相同。無論使用何種供電電源，穩(wěn)定的恒壓充電時間保證了充電器將電池電量充滿，故USB充電器和WALL充電器充電完成后的實際電池電量分別為2 187 mAh和2 275 mAh，而電池的額定容量為2 200 mAh?？梢姡幢闶褂貌煌墓╇婋娫?，本充電器均可以保證電池快速高效地充滿電。

圖5 USB充電電池電壓及充電電流變化曲線圖

圖6 WALL充電電池電壓及充電電流變化曲線圖

表1 測試結(jié)果分析表

5 結(jié)束語

本文旨在提出一種智能化鋰電池充電管理的方法，在軟硬件的設(shè)計上，保證了充電的安全性和可靠性。從測試結(jié)果來看，盡管使用的充電器負載能力不同，充電電流波動都比較小，說明整個充電過程安全性好，穩(wěn)定性高。

[1]畢道治. 21 世紀(jì)電池技術(shù)展望[J].電池工業(yè)，2002，7（3-4）：205- 210.

[2]鄭如定．鋰離子電池和鋰聚合物電池概述[J].通信電源技術(shù)，2002（5）.

[3]Patrick Heyer. 先進的鋰離子電池系統(tǒng)充電管理和保護[J]. 中國電子商情（基礎(chǔ)電子），2011（8）.

[4]Patrick Heyer.Fully Integrated Switch-Mode One-Cell Li-Ion Charger with Full USB Compliance and USB-OTG Support[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/product/cn/bq24152,2010-01-19/2011-11-10.

[5]王 磊. 鋰電池充電器芯片的研究與設(shè)計[D]. 廈門：廈門大學(xué)，2007.