|
作者：songzhige 最近幾年，使用電池供電的小型設備發展迅速，例如：平板電腦、掌上游戲機、視頻播放器、數字相框等。一般而言，這些設備都使用可再充鋰離子 (Li-Ion) 電池作為電源。本文將從四個方面，討論的使用鋰電池供電中的電壓轉換電路、鋰電池保護電路，電池電量管理電路及鋰電池充電電路的一些電路設計的方方面面...... 第一方面：摸清鋰電池的供電轉換電路的來龍去脈 鋰電池電壓源經常與負載不兼容，需要在電源和負載之間放置一個緩存器，以調節或控制電壓和電流。這種電源穩壓器一般有線性穩壓器和開關電源穩壓器 1：有人愛用低壓差線性穩壓器(LDO) 便攜電子設備不管是由交流市電經過整流(或交流適配器)后供電，還是由電池組供電，工作過程中，電源電壓都將在很大范圍內變化。比如單體鋰離子電池充足電時的電壓為4.2V，放完電后的電壓為2.3V，變化范圍很大。各種整流器的輸出電壓不僅受市電壓變化的影響，還受負載變化的影響。為了保證供電電壓穩定不變，幾乎所有的電子設備都采用穩壓器供電。小型精密電子設備還要求電源非常干凈(無紋波、無噪聲)，以免影響電子設備正常工作。為了滿足精密電子設備的要求，應在電源的輸入端加入線性穩壓器，以保證電源電壓恒定和實現有源噪聲濾波 線性穩壓器內部基本上具備三個主要的部件：一個運算放大器、一個參考電壓源和一個功率晶體管，如圖1。線性穩壓器的主要目的是提供一個比輸入電壓量更低的恒定而精確的輸出電壓。 
圖1 所有低壓差線性穩壓器(LDO)的一個共同特性是其在負載電流需求發生變化之后需要一定的時間去“校正”輸出電壓。除基本功能外，線性穩壓器還經常提供其他功能：過電流保護、過熱保護和極性反相保護等。 低壓差線性穩壓器(LDO)的突出優點是具有最低的成本，最低的噪聲和最低的靜態電流。它的外圍器件也很少，如圖2通常只有一兩個旁路電容。
圖2 一般地，在這種線性穩壓器，所有線性穩壓器的一個共同特性是其在負載電流需求發生變化之后需要一定的時間去“校正”輸出電壓。 常用線性穩壓芯片：AMS1117, MPC1702, ADM666，LM3480，MC78PC30 ，TPS76801Q，AS2810，NCV4949 2.現在流行用開關穩壓器 有人叫它調節器、穩壓源。從自動控制理論中我們知道，當電壓 上升的時候通過負反饋把它降低，下降的時候就把它升上去，這樣形成了一個控制環路。如圖3中方框是 下降的時候就把它升上去，這樣形成了一個控制環路。如圖中方框是 PWM (脈寬控制方式 )，當然還有其他如： PFM(頻率控制方式 )、移相控制方式等。
圖3 這種開關型芯片根據不同的應用電路，分為降壓型，升壓型，升降壓型 我們以降壓轉換器為例，這種芯片是基于電感的開關電源轉換器，用來逐步降低輸入電源電壓為量級較低的輸出電壓。降壓轉換器用過很多名字：降壓轉換器，DCDC轉換器和斬波器等。不管叫什么名字，所有出售的轉換器中有80%至90%都是基于電感的衍生的降壓開關轉換器。
圖4 如圖4是一個簡化的降壓開關電源，為了方便路分析先不加入反饋控制部。各個器件的作用：①輸入電容器 (C1) 用于使輸入電壓平穩②輸出電容器 (C2) 負責使輸出電壓平穩;③箝位二極管 (D1) 在開關路時為電感器提供一條流通;④電感器 (L1) 用于存儲即將傳送至負載的能量。 如下圖5設計案例：是一個完全集成的高效率500mA同步降壓穩壓器，其輸入電壓2.7V-5.5V輸出1.5V的案例,是1節鋰電池電池供應的方式。
圖5 下面圖6是用TI的TPS63001設計的一款輸出3.3V的供電電路
圖6 這種開關穩壓器電路根據不同的應用電路，分為降壓型，升壓型，升降壓型等等 芯片也很多比如MCP1601,TC105,TPS5430DA,LM22670。 第二方面，深入虎穴搞懂鋰電池供電的保護電路 使用鋰電池供電，需要設計保護電路，鋰電池(可充型)之所以需要保護，是由它本身特性決定的。由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，保護板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環境下時刻準確的監視電芯的電壓和充放回路的電流，及時控制電流回路的通斷。鋰電池保護板根據使用IC,電壓等不同而電路及參數有所不同,并且根據鋰電池不同的串并組成不同電壓不同容量的電源電壓，有不同的保護電路。 圖7是比較常用的單節鋰電池保護電路以DW01 配MOS管8205A進行保護的典型電路。
圖7 該電路主要由鋰電池保護專用集成電路，充、放電控制MOSFET1(內含兩只N溝道MOSFET)等部分組成，單體鋰電池接在B+和B-之間，電池組從P+和P-輸出電壓。充電時，充電器輸出電壓接在P+和P-之間，電流從P+到單體電池的B+和B-，再經過充電控制MOSFET到P-。在充電過程中，當單體電池的電壓超過4.35V時，專用集成電路DW01的OC腳輸出信號使充電控制MOSFET關斷，鋰電池立即停止充電，從而防止鋰電池因過充電而損壞。放電過程中，當單體電池的電壓降到2.30V時，DW01的OD腳輸出信號使放電控制MOSFET關斷，鋰電池立即停止放電，從而防止鋰電池因過放電而損壞，DW01的CS腳為電流檢測腳，輸出短路時，充放電控制MOSFET的導通壓降劇增，CS腳電壓迅速升高，DW01輸出信號使充放電控制MOSFET迅速關斷，從而實現過電流或短路保護。 目前鋰電池保護IC主要生產商有：精工、理光、美之美、富晶、中星微等。保護IC的MOS管生產商有，三洋、AO、華瑞、三合微等等。 第三方面：知己知彼需要鋰電池的電量管理電路參與 鋰電池常用的電量檢測方法有兩種： 1.一種是利用庫侖計。根據電池工作的電流與時間進行計算出電池的實際容量。此種檢測方法是最準確的檢測方法，一般用的芯片有TI，美信等電池管理芯片，但由于成本太高，調試復雜。是通過庫侖計實時監測電池消耗電量而計算剩余電量的方法則非常準確。利用一種電流檢測傳感器，專門用于檢測便攜式設備電池的充電/耗電電流，能將通過精密檢測電阻的電流信號轉換為ADC可以檢測到的電壓信號，從而計算一段時間內消耗的真實電量。 TI的bq26150和 bq27x00 組成的自動監控電池電量的IC電路方案，如圖8
圖8 目前，比較先進的是是美國TI公司生產的BQ系列鋰電池電量管理芯片。 2.另一種是利用電池工作的電壓曲線來分析出電池的容量。這種方式比較簡單，成本也低，由于直接采用比較器如LM339，LM324等，檢測精度低，溫漂大，功耗大。且固定電壓判斷容量，在電池放電倍率不同等情況下，檢測相對很不準確。這種電壓估測電量的方法通常如下：一塊電池在放電的時候，電池的電壓會隨著電池電量的流失逐漸地下降。這樣就可以得到一個比較簡單而有效的對應關系，就是電壓對應容量。通過電池正常使用(比如100mA放電)的放電曲線，對時間進行4等分，以充電限制電壓為4.2V的鋰電池為例，可以列出這樣一個對應關系，4.20V—100%，3.85V—75%，3.75V—50%，3.60V—25%，3.40V—5%。 第四方面：講效率殲滅戰用好鋰電池充電管理集成芯片 鋰電池主要存在三種充電方式：線性充電方式、開關充電方式和脈沖充電方式。其中，線性充電和開關充電都采用恒流恒壓的充電模式，而脈沖充電則采用脈沖電流充電的模式。在這些模式中，恒流恒壓是目前最為普遍的，大多數廠家生產的充電器和充電芯片都是基于這一充電模式。實踐證明，恒流恒壓充電模式的線性充電器控制簡單，外圍電路簡潔，有利于降低充電器成本，因此在市場上廣泛應用。在低成本、小容量、小功率的手機充電器市場尤其如此。 目前許多知名的半導體公司， 如T I 、M a x i m、安森美、N S、飛兆等，都有各自獨立的鋰離子電池管理芯片和保護芯片采用的充放電及保護策略也不盡相同。一般來說，這些芯片的主要功能包括充放電管理、溫度檢測、過流/短路保護和欠壓過壓保護等等，有些還有狀態輸出及微機控制接口。 一般線性充電器來說，鋰離子電池的充電過程分為兩個步驟：先是恒流充電，其電流恒定，電壓不斷升高，當電壓充到 4.2V 的時候自動轉換為恒壓充電，在恒壓充電時電壓恒定，電流是越來越小的直到充電電流小于預先設定值為止。 為了進一步減少尺寸、降低成本和減少復雜度，目前芯片廠商為單節鋰離子和鋰聚合物電池提供了完全集成的充電管理控制器。 ①恒流恒壓線性或開關式充電管理控制 下面先了解一下鋰電池充電與電池容量的關系曲線如圖9：
圖9 圖9中虛線為充電時的容量，實線為充電電流。 下面了解一個典型的充電例子如圖10，是利用TI的bq2057控制實現的鋰電池控制電路原理, 為典型充電器電路設計，利用BQ2057設計的充電器電路簡單，可廣泛應用于目前的便攜式電子系統的電源管理，對于便攜式電子產品的緊湊設計很有意義。采用BQ2057設計的鋰電池充電電路可實現對1節或兩節鋰電池的充電，工作電源DC+根據充電鋰電池組的電壓選擇.
圖10 下面是microchip的mcp73833芯片的鋰電池線性充電器實現電路圖11
圖11 有的大部分鋰離子集成充電器芯片電池管理控制器都配備了溫度調節、反向放電保護、充電保護定時器和集成電流檢測功能。CN3068，LTC405，bq2057 ②智能鋰電池脈沖充電控制系統 使用單片機開發智能電源控制系統的高速脈寬調整前，與單片機結合使用，芯片通過控制電源系統占空比來調節輸出電壓或電流。這就是PWM的脈沖充電方式，單片機通過控制參考電壓來數字調節，輸出電壓或電流，從而實現快速充電，使用額定電壓為4.2V的恒流恒壓充電器，可使鋰電池在1-2小時內得到滿充。 其原理如圖12
圖12 下面是由LPC916控制的鋰電池充電器解決方案
圖13 圖13為鋰電池充電器系統組成框圖。其中PWM輸出控制充電開關，且其占空比可根據需要用充電電壓及電流的反饋來調整。LPC916的8位片上高速A/D轉換器提供了監視充電電壓所需的高精度。避免鋰離子應用中的過充電非常重要，因為將充電保持在其最大值以內可延長電池的使用壽命。 本方案基于飛利浦P89LPC916型MCU，其整體設計思想是，通過先用恒定電流充電、然后再用恒定電壓充電來實現盡可能快的充電。MCU還控制用于指示充電器工作狀態的LED。 當然，利用單片機進行鋰電池充電的方案有很多。這里不再列舉。 總結：通過做好以上四個方面的討論，在使用鋰電池供電中的產品中，我們在鋰電池電壓電路轉換電路、鋰電池保護電路，電池電量管理電路和鋰電池充電電路的一些電路設計的問題，，相信在使用鋰電池的中會有很多啟發，通過這些圍攻，相信對鋰電池的使用會很多新的認識。 |
