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(shè)備的迅速普及應(yīng)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(chǎn)及需求量與日俱增，特別是鋰離子電池體積小、重量輕;循環(huán)壽命長、充電可達幾百次甚至上千次;自放電率低等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于可移動便攜式電子產(chǎn)品中。因此，設(shè)計一套高精度鋰離子充電管理系統(tǒng)關(guān)于鋰離子電池應(yīng)用是至關(guān)重要的，嚴格防止在電池的使用中出現(xiàn)過充電、過放電等現(xiàn)象。

目前比較成熟的鋰離子電池充電管理方法就是基于筆記本電腦的方法，該類電源管理方法已經(jīng)接近成熟，但是往往成本較高，不太符合應(yīng)用于便攜式分子篩制氧機設(shè)計中。結(jié)合成本與性能的考慮，最后我們選擇BQ24610芯片作為主芯片，結(jié)合外圍電路，來設(shè)計便攜式分子篩制氧機電源管理模塊。

BQ24610是TI公司生產(chǎn)，可以實現(xiàn)5V-28V鋰離子電池充電管理。充電控制器與傳統(tǒng)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;集成型獨立解決方法可提高設(shè)計靈活性，縮小整體解決方法尺寸，更加有利于廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備中;動態(tài)電源管理可在電池充電時仍可為系統(tǒng)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(shù)設(shè)置及應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進行了分析，給出了相應(yīng)的典型應(yīng)用電路設(shè)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。ACp(引腳2)：適配器電流誤差放大器正輸入。ACDRV(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(nèi)部下拉電阻。STAT1(引腳5)：漏極開路充電狀態(tài)指示按鈕，指示各種充電操作。

TS(引腳6)：電池組溫度Cp系數(shù)檢測。TTC(引腳7)：安全時間和終止控制。(引腳8)：開漏輸出狀態(tài)良好指示。STAT2(引腳9)：漏極開路充電狀態(tài)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(shè)置。VFB(引腳12)：輸出電壓模擬反饋調(diào)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(yù)充電和終止當前輸入設(shè)置。ACSET(引腳16)：適配器當前輸入設(shè)置。BATDRV(引腳23)：電池和系統(tǒng)之間的MOSFET驅(qū)動輸出。

2.2工作原理

BQ24610充電電路工作原理如圖2所示，該充電電路基本工作原理可分為預(yù)充、快充和終止階段。

當接通電源，假如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(xù)上升，當電壓達到調(diào)節(jié)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，假如VVFBVRECH,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(tài)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的時候電流擊穿。每次確保輸出電容或者電源轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)電流。

3.便攜式制氧機中的鋰離子電池充電管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

依據(jù)參數(shù)要求，我們結(jié)合BQ24610的特性設(shè)計了一套適合四節(jié)鋰離子電池的充放電系統(tǒng)，電路圖如圖3所示。該系統(tǒng)是給便攜式分子篩制氧機供電，實現(xiàn)了以下設(shè)計：

圖3鋰離子電池的充放電電路

3.1適配器或電池供電的設(shè)計

重要通過兩個p溝道的MOSFET實現(xiàn)。BQ24610能夠自動控制實現(xiàn)適配器或者電池給負載供電，當系統(tǒng)啟動或者進入睡眠模式時，電池默認與系統(tǒng)連接，當退出休眠模式30ms,電池自動與系統(tǒng)斷開，適配器與系統(tǒng)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(zhuǎn)換器沒有過壓現(xiàn)象時，系統(tǒng)自動軟啟動充電電流管理。當CE引腳的狀態(tài)指示燈亮表明系統(tǒng)進入充電使能狀態(tài)。

3.2鋰離子電池的電量檢測與充電指示設(shè)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(yīng)。電池充電狀態(tài)的顯示是通過兩個LED燈(STAT1、STAT2)，實現(xiàn)充電與充電完成狀態(tài)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(huán)充電潛流保護，這能夠阻止引起提振效應(yīng)的負面感應(yīng)電流。提振效應(yīng)能夠隨著電池到輸入電容的輸入電壓增大，導(dǎo)致VCC引腳過壓，引起系統(tǒng)損壞。輸入過壓和低壓保護，能夠有效的預(yù)防過壓或低壓對系統(tǒng)造成的損壞。電池的過壓保護，充電電流過流保護，熱關(guān)機保護等一系列的保護措施能夠大大提高系統(tǒng)的安全性。

3.3系統(tǒng)電壓低于12V時系統(tǒng)自動關(guān)機的設(shè)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(xiàn)，在此部分電路中電阻R43,R44要滿足12*R44/(R43+R44)=2.5,經(jīng)計算取R43=38K,R44=10K3.4系統(tǒng)按鍵開關(guān)的設(shè)計

含有按鍵開關(guān)的S1部分能夠?qū)崿F(xiàn)該功能，重要原理如下：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，VTGS電壓上升至約3V時VT2導(dǎo)通，并迅速飽和，V1GS電壓小于-4V,V1飽和導(dǎo)通，VOUT有輸出，發(fā)光管亮，C1通過R6、R12繼續(xù)充電，V1、VT2狀態(tài)被鎖定;當再次按下按鈕時，由于VT2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，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(fā)光管滅，C1通過R6、R12及外電路繼續(xù)放電，V1、VT2維持截止狀。

3.5電流電壓參數(shù)的設(shè)計

3.5.1預(yù)充電電流設(shè)計

電池的預(yù)充電電流IpRECHARGE由引腳ISET2的電壓確定，大小為充電電流的1/6.

根據(jù)公式(1)電池預(yù)充電電流為0.6A.

3.5.2適配器電流設(shè)計

與電池的電流大小類似，通過ACSET引腳的輸入來設(shè)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。

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

3.5.3充電電壓設(shè)計

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

R2在VFB和電池之間，R1在電池和地之間。

取R1=4K,R2=28K,根據(jù)公式(3)，該系統(tǒng)中充電電壓設(shè)定為16.8V.

3.5.4充電電流的設(shè)計

通過ISET1引腳的輸入來設(shè)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。

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

4.結(jié)論

通過試驗結(jié)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(tǒng)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(jīng)過多次試驗該電路能其要求的功能。

本文系統(tǒng)地分析了鋰離子電池充電控制集成電路芯片應(yīng)用中常用到的技術(shù)問題，并給出了在便攜式制氧機中的典型應(yīng)用實例。根據(jù)系統(tǒng)對電池的應(yīng)用需求，通過合理設(shè)置BQ24610的外部元件參數(shù)，就可構(gòu)成一個功能完備的鋰離子電池充電器。該設(shè)計能夠很好的實現(xiàn)系統(tǒng)鋰離子電池充電器的功能，可作為有關(guān)設(shè)計人員對電池充電器進一步開發(fā)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(yīng)用中具有重要的實用價值和參考價值，為電池充電電路設(shè)計者供應(yīng)了有用的參考，同時也可為其他電子元件的應(yīng)用供應(yīng)參考。