基于BQ24610的智能鋰電池充電系統設計

【摘要】BQ24610是TI公司推出的一款比較先進的，面向5V至28V電壓輸入的鋰離子電池供電應用開關模式獨立電池充電器IC。基于便攜式分子篩制氧機的電源管理的設計需求，經過對一系列芯片原理、性能、參數設置的分析討論，最后我們選用BQ24610芯片作為該電源管理部分的主控制芯片，結合部分外圍電路，實現該設計的電源的自動選擇、內部回路補償、內部軟啟動、動態電源管理（DPM）、精確的充電電流與電壓調節、預充電、充電終止、適配器電流調節以及充電狀態監控等功能。最后把該設計制成實驗板，經過反復調試，測試結果實現了預期性能指標。

【關鍵詞】BQ24610；智能充電；制氧機

Abstract：BQ24610 is a more advanced separate battery charger IC switch mode of lithium ion battery power supply application to 28 v to 5 v input voltage by TI company.Based on molecular sieve oxygen concentrator portable power management design requirements，through a series of chip principles，performance，analysis and discussion of parameter settings，and finally we use BQ24610 power management chip as part of the main control chip，combined with some peripheral circuit to achieve the automatic selection of power supply design，the internal loop compensation，internal soft-start，dynamic power management（DPM），the precise charge current and voltage regulation，pre-charge，charge termination，adapter current regulation and charge status monitoring. Finally the design is made ??of experimental board，after repeated testing，the test results to achieve the desired performance.

Key words：BQ24610；Intelligent charging；Oxygen generator

1.概述

隨著移動電話、筆記本電腦、平板電腦等眾多便攜式電子設備的迅速普及應用，與之配套的小型鋰離子電池、鋰聚合物電池等二次電池的生產及需求量與日俱增，特別是鋰離子電池體積小、重量輕；循環壽命長、充電可達幾百次甚至上千次；自放電率低等優點廣泛應用于可移動便攜式電子產品中[1]。因此，設計一套高精度鋰離子充電管理系統對于鋰離子電池應用是至關重要的，嚴格防止在電池的使用中出現過充電、過放電等現象[2]。

目前比較成熟的鋰電池充電管理方案就是基于筆記本電腦的方案，該類電源管理方案已經接近成熟，但是往往成本較高，不太符合應用于便攜式分子篩制氧機設計中。結合成本與性能的考慮，最后我們選擇BQ24610芯片作為主芯片，結合外圍電路，來設計便攜式分子篩制氧機電源管理模塊。

BQ24610是TI公司生產，可以實現5V-28V鋰電池充電管理。充電控制器與傳統的控制器相比較，效率更高，散熱更少；充電電壓及電流的準確度接近百分之百，有助于延長電池使用壽命；集成型獨立解決方案可提高設計靈活性，縮小整體解決方案尺寸，更有利于廣泛應用于便攜式設備中；動態電源管理可在電池充電時仍可為系統供電，最大限度地提高適配器功率[3]。本文就通過在實際中的探索，對電池充電控制器和選擇器芯片BQ24610的基本性能、工作原理、參數設置及應用中出現的問題進行了分析，給出了相應的典型應用電路設計。

2.BQ24610功能及特性

2.1 引腳介紹

ACN（引腳1）：適配器電流誤差放大器負輸入。（引腳2）：適配器電流誤差放大器正輸入。（引腳3）：AC或適配器電源選擇輸出。CE（引腳4）：充電使能，邏輯高電平輸入。高電平充電時能，低電平停止充電，它有一個1MΩ內部下拉電阻。STAT1（引腳5）：漏極開路充電狀態指示按鈕，指示各種充電操作。TS（引腳6）：電池組溫度CP系數檢測。TTC（引腳7）：安全時間和終止控制。（引腳8）：開漏輸出狀態良好指示。STAT2（引腳9）：漏極開路充電狀態指示按鈕，指示各種充電操作。VREF（引腳10）：3.3V參考電壓輸出。ISET1（引腳11）：快速充電電流輸入設置。VFB（引腳12）：輸出電壓模擬反饋調整。SRN（引腳13）：電池電流誤差放大器負輸入。SRP（引腳14）：電池電流誤差放大器正輸入。ISET2（引腳15）：預充電和終止當前輸入設置。ACSET（引腳16）：適配器當前輸入設置。（引腳23）：電池和系統之間的MOSFET驅動輸出。

2.2 工作原理

BQ24610充電電路工作原理如圖2所示[3]，該充電電路基本工作原理可分為預充、快充和終止階段。

當接通電源，如果VBAT

快充分恒流充電和恒壓充電兩個階段，在該充電階段，恒流充電電流不變，電壓持續上升，當電壓達到調節電壓時，充電進入恒壓充電階段。在恒壓階段，充電電流逐漸減小，BQ24610負責管理充電電流。在VTT有效情況下，如果VVFB>VRECH，并且ICHARGE

BQ24610能夠自動選擇適配器或者電池給負載供電，當處于上電狀態或者睡眠模式的時候，電池連到負載。當電池跳出睡眠模式30ms，電池自動與負載斷開，適配器與電池相連。一個自動閉合邏輯防止轉換器轉換的時候電流擊穿。每次確保輸出電容或者電源轉換器沒有充或擊穿之后，進入快速充電模式，充電器自動軟啟動充電器調節電流。

3.便攜式制氧機中的鋰離子電池充電管理系統的設計與應用

依據參數要求，我們結合BQ24610的特性設計了一套適合四節鋰離子電池的充放電系統，電路圖如圖3所示。該系統是給便攜式分子篩制氧機供電，實現了以下設計：

3.1 適配器或電池供電的設計

主要通過兩個P溝道的MOSFET實現。BQ24610能夠自動控制實現適配器或者電池給負載供電，當系統啟動或者進入睡眠模式時，電池默認與系統連接，當退出休眠模式30ms，電池自動與系統斷開，適配器與系統連接。每次進入快速充電，當確定沒有過充、輸出電容和電源轉換器沒有過壓現象時，系統自動軟啟動充電電流管理。當CE引腳的狀態指示燈亮表明系統進入充電使能狀態。

3.2 鋰電池的電量檢測與充電指示設計

通過分壓法采集電池電量AD信號，通過I/O口傳輸給單片機，單片機對信號進行處理做出反應。電池充電狀態的顯示是通過兩個LED燈（STAT1、STAT2），實現充電與充電完成狀態顯示。當SRN與SRP之間的電壓低于5mv時，芯片自動控制進入周期循環充電潛流保護，這能夠阻止引起提振效應的負面感應電流。提振效應能夠隨著電池到輸入電容的輸入電壓增大，導致VCC引腳過壓，引起系統損壞。輸入過壓和低壓保護，能夠有效的預防過壓或低壓對系統造成的損壞。電池的過壓保護，充電電流過流保護，熱關機保護等一系列的保護措施能夠大大提高系統的安全性。

3.3 系統電壓低于12V時系統自動關機的設計

通過一個含有最大限制電壓是30V的P溝道MOSFET和一個分流基準源實現，在此部分電路中電阻R43，R44需要滿足12*R44/（R43+R44） =2.5，經計算取R43=38K，R44=10K

3.4 系統按鍵開關的設計

含有按鍵開關的S1部分能夠實現該功能，主要原理如下：按鈕按下前，VT2的GS電壓（即C1電壓）為零，VT2截止，V1的GS電壓為零，V1截止無輸出；當按下S1，C1充電，VT GS電壓上升至約3V時VT2導通，并迅速飽和，V1 GS電壓小于-4V，V1飽和導通，VOUT有輸出，發光管亮，C1通過R6、R12繼續充電，V1、VT2狀態被鎖定；當再次按下按鈕時，由于VT2處于飽和導通狀態，漏極電壓約為0VC1通過R3放電，方至約3V時，VT2截止，V1柵源電壓大于-4V，V1截止，VOUT無輸出，發光管滅，C1通過R6、R12及外電路繼續放電，V1、VT2維持截止狀。

3.5 電流電壓參數的設計

3.5.1 預充電電流設計

電池的預充電電流IPRECHARGE由引腳ISET2的電壓確定，大小為充電電流的1/6。

（1）

根據公式（1）電池預充電電流為0.6A。

3.5.2 適配器電流設計

與電池的電流大小類似，通過ACSET引腳的輸入來設置適配器的電流，適配器電流大小是由連接ACP引腳與ACN引腳的電阻RAC決定。

（2）

VACSE，是ACSET引腳的輸入電壓，范圍在（0-2）V之間。VISET1=2V，RSR=30mΩ，根據公式（2），充電電流設定為3.1A。

3.5.3 充電電壓設計

電池充電調整電壓VBAT通過電池和地之間的電阻進行設定，從中間部分與VFB引腳相連。

（3）

R2在VFB和電池之間，R1在電池和地之間。

取R1=4K，R2=28K，根據公式（3），該系統中充電電壓設定為16.8V。

3.5.4 充電電流的設計

通過ISET1引腳的輸入來設置最大的快速充電電流，電池的充電電流由SRP、SRN之間的電阻RSR決定。

（4）

VISET1，是ISET1引腳的輸入電壓，范圍在（0-2）V之間。VACSETT=2V，RAC=25mΩ，根據公式（4），適配器電流設定為3.9A。

4.結論

通過試驗結果分析，充電電壓在16.5V左右浮動，準確度超過95%，充電電流在3.1A左右浮動，準確度超過99%。系統的輸入過壓過流保護、電池的過壓、過流保護，高溫保護準確度達到了99%。經過多次試驗該電路能其要求的功能。

本文系統地分析了鋰離子電池充電控制集成電路芯片應用中常用到的技術問題，并給出了在便攜式制氧機中的典型應用實例。根據系統對電池的應用需求，通過合理設置BQ24610的外部元件參數，就可構成一個功能完備的鋰離子電池充電器。該設計能夠很好的實現系統鋰離子電池充電器的功能，可作為有關設計人員對電池充電器進一步開發的參考。該類集成芯片系列較多，但在使用方法上存在許多類似之處，這使得本文的分析討論在實際應用中具有重要的實用價值和參考價值，為電池充電電路設計者提供了有用的參考，同時也可為其他電子元件的應用提供參考。

參考文獻

[1]王秀榮，黃偉志.基于BQ24703的智能電池充放電系統[J].儀器儀表用戶，2007，14（1）：26-27.

[2]鄭宏軍，黎昕，孟祥國，等.MAX1758構成鋰離子電池充電控制器的設計[J].電子技術，2004，31（5）：41-43.

[3]Texas Instruments.Stand-Alone Synchronous Switch-Mode Li-Ion or Li-Polymer Battery Charger with System Power Selector and Low Iq[EB/OL].（2011-9-27）[2013-8-15].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/bq24Pdf.

作者簡介：

劉曉梅（1964—），女，遼寧沈陽人，大學本科，副教授，主要從事智能測控技術與裝置開發與研制和無線傳感器網絡應用技術的研究。

劉丹丹（1988—），女，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：智能信息處理。