新型高性能鋰離子電池充電器的設計方案

鋰離子電池作為現代電子設備的主要電源，其充電器的設計對于電池的性能、安全性和壽命至關重要。本文將詳細介紹一種新型高性能鋰離子電池充電器的設計方案，重點探討主控芯片的選擇及其在設計中的作用。

一、總體設計方案

新型高性能鋰離子電池充電器設計的主要目標是實現高效充電、電池保護、電量計數、電源控制、計時以及對電池組的識別等功能。為了實現這些功能，整個充電器由以下幾個主要部分組成：

1. 主控芯片：負責充電控制、電量計量、電池保護等核心功能。

2. 輔助芯片：如實時時鐘（RTC）、電池保護器等，用于提供附加功能。

3. 外圍電路：包括濾波電容、保護電阻、MOSFET等，用于對干擾信號濾波、ESD保護及電池安全保護。

二、主控芯片型號及其作用

1. DS2770和DS2720

DS2770和DS2720是德州儀器（TI）推出的高性能電池管理芯片，廣泛應用于鋰離子電池充電器和電池組中。

DS2770：

• 功能：DS2770是一款集成了電池電量計量和鋰離子或鎳基電池充電控制器的新型芯片。它不僅可以實現電池的充電控制，還能精確測量電池的電量，并提供電池溫度、電壓等關鍵參數的監測。

• 特點：

• 內置可選擇的25mΩ檢測電阻，用于充電電流測量。

• 內置的測量電路能檢測電壓和溫度值，作為充電終止的判據和安全充電環境的判據。

• 所有測量結果保存在16字節的SRAM存儲器中，40字節的EEPROM留給用戶使用。

• 通過標準的l－Wire通信接口與主系統交換信息。

• 低功耗設計，工作狀態耗電僅為80μA，靜態消耗電流為0.5μA。

• 引腳功能：

• UV：電池電壓檢測為低值時的輸出端，低電平有效。

• CC：充電控制輸出，低電平有效。

• Vch：充電電壓輸入。

• SNS：電流檢測電阻連接端。

• Vdd：芯片電源端。

• Vss：地端。

• DATA：數據輸入/輸出端。

• LS1與LS2：電流檢測輸入端。

• Vin：電池電壓檢測輸入。

DS2720：

• 功能：DS2720是一款電池保護器，主要用于保護單體鋰離子或鋰聚合物電池免受過量充電、過量消耗、過高放電電流以及過高溫度損害等。

• 特點：

• 具有涓流充電功能，可恢復已深度放電的電池。

• 低功耗設計，工作狀態耗電僅為12.5μA，靜態消耗電流為1.5μA。

• 引腳功能：

• PLS：電池組的正端輸入。

• PS：系統（功率）開關檢測輸入，低電平有效。

• DQ：數據輸入/輸出。

• CP：電量儲存容量。

• CC：充電控制輸入。

• DC：放電控制輸出。

作用：

DS2770和DS2720的組合使用，可以實現高性能的充電控制、電池保護和電量計量功能。DS2770負責充電控制、電量計量和電池參數的監測，而DS2720則提供電池的安全保護功能。兩者通過標準的l－Wire通信接口與主系統交換信息，確保充電過程的穩定性和安全性。

2. LTC4007EGN

LTC4007EGN是Linear公司推出的一款鋰離子電池智能充電控制器，依據鋰離子電池特性定制，具備多種功能。

功能：

• 對三節或四節鋰離子電池組進行大電流恒流、恒壓、定時充電。

• 過熱保護功能。

• 交流適配器電流限制功能。

• 充電電流輸出監測。

• 工作狀態標示：充電、C/10充電電流、適配器連接、電池低電壓、輸入電流限制、故障。

特點：

• 轉換效率高達96%。

• 輸出最大電流超過4A。

• 充電電壓精度可達±0.8%。

• 同步、準恒定頻率、恒定關斷時間的PWM控制結構，在使用陶瓷電容的情況下也不會產生噪聲。

• 利用電流設置電阻可以將充電電流精度控制到±5%。

作用：

LTC4007EGN以其高效、精確的充電控制功能，特別適用于對鋰離子電池組進行大電流充電的應用場景。其小型SSOP24封裝也使其特別適合應用于集成度高、電路板空間有限的場合。通過精確控制充電電流和電壓，LTC4007EGN可以有效降低電池過充的風險，提高電池的安全性和壽命。

三、充電組合電路的設計

1. 電路組成

整個充電組合電路由DS2770充電控制器/電量計、DS2720電池保護器、DS2415實時時鐘（RTC）三個芯片組成。它們均公用一個地（VSS或Gnd）、電源（Vdd）和通信線（DQ或DATA）。

2. 充電過程控制

DS2770利用簡單的限流型電源給電池充電。通過控制外部PNP晶體管Vp1和Vp2，DS2770能以恒定電流給鋰離子或鋰聚合物基的電池組進行均充電，直到電壓上升到工廠設定的4.1V或4.2V限值。然后，它以脈沖充電方式注滿電池。DS2770還提供了一個輔助的充電終止控制，即當電池溫度超過+50℃或電池的充電時間超過用戶設定的最大充電時間時均能終止充電。

3. 電池保護特性

應用外接的二只N溝道MOSFET（如IRF840）Vp3與Vp4和DS2720芯片來實現對單體鋰離子或鋰聚合物電池的安全保護。DS2720具有涓流充電功能，可恢復已深度放電的電池。主系統軟件還能夠通過DS2720與DS2770芯片的引腳DQ檢測到電池產生故障的原因，并由主系統向用戶報告。

4. 充電電量計數

DS2770也可用作一個高精度電量計。電流測量通過一個內部的25mΩ檢測電阻實現，其最低分辨率為62.5μA，動態范圍高達±2A的平均電流。在GSM/CDMA應用中，DS2770可十分容易地跟蹤放電電流，其內部的自動補償功能可在芯片整個工作范圍之內保持測量的精確度，并能對所累加的電流、電壓和溫度進行實時測量。再加上保存于DS2770內EEPROM的電池特性數據，使得主系統處理器能夠精確計算出電量，同時僅消耗很少的系統資源。

四、附加功能設計

1. 實時時鐘（RTC）

DS2415實時時鐘（RTC）用于提供準確的時間信息，可用于記錄電池的充電時間、放電時間等關鍵參數，有助于優化充電策略和電池管理。

2. 數據通信接口

DS2770和DS2720通過標準的l－Wire通信接口與主系統交換信息。這種通信方式不僅簡化了電路設計，還提高了數據傳輸的可靠性和穩定性。

3. 過充、過放、過熱和短路保護

現代鋰電池充電器通常還具備過充、過放、過熱和短路保護功能，以確保電池的安全性和壽命。這些保護功能可以通過軟件設置和硬件電路相結合的方式實現。

五、設計總結

新型高性能鋰離子電池充電器的設計方案采用了DS2770和DS2720作為主控芯片，結合LTC4007EGN等輔助芯片，實現了高效充電、電池保護、電量計數、電源控制、計時以及對電池組的識別等功能。通過精確控制充電電流和電壓，以及提供多種保護功能，該充電器可以有效降低電池過充的風險，提高電池的安全性和壽命。同時，該設計方案還具有體積小、重量輕、易于攜帶等優點，適用于多種電子設備。

綜上所述，新型高性能鋰離子電池充電器的設計方案不僅滿足了現代電子設備對電池充電器的高要求，還為電池管理技術的發展提供了新的思路和方法。隨著科技的不斷發展，相信未來會有更多更高效、更智能的電池充電器問世，為人們的生活和工作帶來更多便利。