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新型高性能鋰電池充電器的設(shè)計(jì)方案
摘要：新型高性能充電組合電路(充電器) 是由DS2770、 DS2720等芯片組合成設(shè)計(jì)而成,本文介紹該設(shè)計(jì)方案的功能和特點(diǎn).關(guān)鍵詞：充電控制與保護(hù) 電量計(jì)量 1-Wire接口 Li+鋰電池組
前言
Li+鋰電池因具有體積小、重量輕與能量密度高等優(yōu)勢，所以在GSM/CDMA和數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)及PDA等高端便攜式產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用.它們都需要在內(nèi)建立一個(gè)高性能的鋰離子電池充電器, 以保證Li+電池在使用中避免過充電、過放電等損害現(xiàn)象的發(fā)生，從而,隨之帶來的是要求鋰電池充電器具有嚴(yán)格與完善的保護(hù)電路,才能真正實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)安全保護(hù)特性。
為此,應(yīng)用新型的DS2770和DS2720芯片可以設(shè)計(jì)一個(gè)具有充電控制、電源控制、電量計(jì)數(shù)、電池保護(hù)、計(jì)時(shí)和對(duì)電池組能識(shí)別等功能的高性能鋰電池充電器組合方案.見圖1所示.從而用它可替代目前市場上的現(xiàn)有的鋰電池保護(hù)／充電控制電路---充電器。下面就該高性能鋰電池充電器組合設(shè)計(jì)的功能與特點(diǎn)作一說明.
1 充電組合電路---充電器的組成
1.1 見圖1所示.整個(gè)組合電路分別有DS2770是充電控制器／電量計(jì)、DS2720電池保護(hù)器、DS2415實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)三個(gè)芯片組成. 它們均公用一個(gè)地(Vss或Gnd)、電源(Vdd)和通信線(DQ或DATA)。而所有的電容(從C1到C10)和電阻(從R1到R12)的作用是對(duì)干擾信號(hào)濾波及對(duì)ESD的保護(hù).
圖1 新型高性能鋰電池充電器設(shè)計(jì)方案圖
該充電器的負(fù)載(即主設(shè)備)是通過PACK+和PACK-引腳獲得電源，而充電器與主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信是通過標(biāo)準(zhǔn)的l-Wire接口(標(biāo)為DATA )進(jìn)行. DS2720芯片的的PS引腳和主系統(tǒng)的開／關(guān)控制相連接, 且作充電器的使能輸入(低電平有效). 圖1中引腳Charge·source可連接到充電電源, 而充電電流能按照電池額定的充電條件加以限制,其充電電壓最高至15V.
整個(gè)充電器在工作模式下消耗不足100μA的典型電流，而處于靜止?fàn)顟B(tài)(即鋰電池不處于充電狀)時(shí)典型消耗電流不到20μA。
1.2 對(duì)DS2770芯片功能與特點(diǎn)作一介紹
DS277是一款集成了電池電量計(jì)量和鋰離子或鎳基電池充電控制器的新型芯片, 其框圖見圖2所示。它還包含一個(gè)可選擇的25mΩ檢測電組，用來實(shí)現(xiàn)充電電流測量。內(nèi)置的測量電路能檢測電壓和溫度值，作為充電終止的判據(jù)和安全充電環(huán)境的判據(jù)。所有測量結(jié)果保存在16字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)器中，它的40字節(jié)的EEPROM留給用戶使用。與主系統(tǒng)所有信息交換都通過它的標(biāo)準(zhǔn)的l-Wire通信接口實(shí)現(xiàn)。該芯片為低功耗,工作狀態(tài)耗電僅為80μA，靜態(tài)消耗電流為0.5μA,
其引腳功能說明:
UV: 當(dāng)電池電壓檢測為低值時(shí)的輸出端，其低電平有效.
CC: 充電控制輸出,其低電平有效.
Vch: 充電電壓輸入.
SnS: 電流撿測電阻連接端.
Vdd與Vss:芯片電源端
Vss: 地端
DATA:數(shù)據(jù)輸入/輸出端
LS1與LS2: 電流檢測輸入端.
Vin: 電池電壓檢測輸入
2 關(guān)于充電組合電路的保護(hù)特性
見圖1中部.應(yīng)用外接的二只N溝道MOSFET保護(hù)管(IRF840)VP3與VP4和DS2720芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)單體Li+或鋰聚合物電池安全保護(hù). 即可以達(dá)到保護(hù)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安全特性。DS2720具有細(xì)小電流充電功能，可恢復(fù)已深度放電的電池。用主系統(tǒng)軟件還能夠通過DS2720與DS2770芯片的DQ引腳檢測到電池產(chǎn)生故障的原因并由主系統(tǒng)向用戶匯報(bào)。
需要指出的是MOSFET 管被接在了充電組合電路的高端，位于充電電源和Li+電池正端之間，見圖1所示. 為確保其數(shù)據(jù)在發(fā)生保護(hù)性故障或當(dāng)充電組合電路處于休眠模式時(shí)不丟失，最好由Li+或鋰聚合物電池直接給DS2770和DS2415供電。否則的話，當(dāng)MOSFET被關(guān)掉時(shí)數(shù)據(jù)將丟失。該DS2720芯片為低功耗,工作狀態(tài)耗電僅為12.5μA，靜態(tài)消耗電流為1.5μA.
其DS2720其引腳功能:
PLS電池組的正端輸入
PS: 系統(tǒng)(功率)開關(guān)撿測輸入，低電平有效。
DQ: 數(shù)據(jù)輸入/輸出.
CP: 電量儲(chǔ)存容量.
CC: 充電控制輸入
DC: 放電控制輸出.
3 關(guān)于充電與控制
DS2770的功能之一是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(FMMT718型)和VP2(4403型)，DS2770能以恒定電流給Li+或鋰聚合物基的電池組進(jìn)行充電，直到電壓上升到工廠沒定的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(gè)輔助的充電終止控制，即當(dāng)電池溫度超過+50℃或超過用戶設(shè)定的最大充電時(shí)間均能終止充電。要啟動(dòng)充電，只需接·個(gè)限流型電源(最高15V)到chargesource端即可。
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4 關(guān)于充電電量計(jì)數(shù)
DS2770也可用作一個(gè)高精度電量計(jì)。電流測量通過一個(gè)內(nèi)部的25mΩ檢測電阻實(shí)現(xiàn)(見圖2所示)，其最低分辨率為62.5μA，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)±2A的平均電流。
在GSM／CDMA應(yīng)用中，DS2770可十分容易地跟蹤放電電流，它內(nèi)部的自動(dòng)補(bǔ)償功能可在芯片整個(gè)工作范圍之內(nèi)保持測量的精確度,并能對(duì)所累加的電流、電壓和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，再加上保存于DS2770內(nèi)EEPROM的電池特性數(shù)據(jù)，使得主系統(tǒng)處理器能夠精確計(jì)算出電量，同時(shí)僅消耗很少的系統(tǒng)資源。而且由于DS2770直接由電池驅(qū)動(dòng)，電量計(jì)數(shù)信息在電池組被拿開或由于保護(hù)性故障電源失效時(shí)不會(huì)被丟失。
5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC
DS2415為主系統(tǒng)提供了一個(gè)精度達(dá)2分鐘/月的RTC。它需要一個(gè)32.768kHz／6pF的外部晶體連接到DS2415的Xl和X2引腳。由于DS2415直接由電池供電，這是種結(jié)構(gòu)是其它充電器電路所沒有的優(yōu)勢。而將DS2415時(shí)鐘置于MOSFET管的內(nèi)側(cè)，可以為主系統(tǒng)提供 一個(gè)高精度保障的時(shí)鐘，甚至當(dāng)主系統(tǒng)電源失去時(shí)也可以保持正確的時(shí)間信息，免去了在主系統(tǒng)中增加超級(jí)電容或紐扣電池作為備用電源的麻煩。
DS2415引腳功能:
Vbat充電電壓輸入腳2.5v.-5.5v.
其它類似上述也標(biāo)明.
6 電池組信息的保存
DS2770含有40字節(jié)的EEPROM留給用戶訪問，而DS2720又額外增加了8個(gè)字節(jié)。電池組制造商可以利用這些空間保存相關(guān)的電池組信息，例如電池化學(xué)類型，組裝日期，用于電量計(jì)數(shù)的電池特有信息等,一旦寫入EEPROM將永久鎖定，甚至于當(dāng)主系統(tǒng)電源丟失和ESD事件發(fā)生時(shí)仍能保證數(shù)據(jù)的完整性.此外，每個(gè)芯片具有一 個(gè)唯一 ·的64位序列碼，以便于讓主系統(tǒng)或充電器識(shí)別。
結(jié)束語
按此方案實(shí)施的高性能鋰電池充電組合路--充電器其特點(diǎn)是操作簡單、成本低廉、性能優(yōu)異、安全可靠等。應(yīng)該說具有較高的性能價(jià)格比。
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