電池充電方式及電路設(shè)計(jì)解析

通常為了提高電池充電時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性，我們會(huì)用電源管理芯片來控制電池充電的電壓與電流，但是在使用電源管理芯片設(shè)計(jì)充電電路時(shí)，我們往往對(duì)充電電路每個(gè)時(shí)間段的工作狀態(tài)及電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)存在一些困惑。

1、電池充電方式簡(jiǎn)介

理論上為了防止因充電不當(dāng)而造成電池壽命縮短，我們將電池的充電過程分為四個(gè)階段：涓流充電（低壓預(yù)充，此狀態(tài)的電池電壓比較低，實(shí)際使用時(shí)，建議將鋰電池欠壓保護(hù)點(diǎn)提高，避免電池出現(xiàn)過放電現(xiàn)象）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。

典型的充電方式是：先檢測(cè)待充電電池的電壓，在電池電壓較低情況下，先進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為設(shè)定的最大充電電流的1/10，當(dāng)電池電壓升到一定值后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過程。標(biāo)準(zhǔn)充電過程為：以最大充電電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓持續(xù)穩(wěn)定上升，當(dāng)電池電壓升到接近設(shè)定的最大電壓時(shí)，改為恒壓充電，此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至最大充電電流的1/10時(shí)，充電結(jié)束。

階段1：涓流充電——涓流充電用來先對(duì)完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充（恢復(fù)性充電）。在電池電壓低于3V左右時(shí)采用涓流充電，涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一即0.1c（以恒定充電電流為1A舉例，則涓流充電電流為100mA）。

階段2：恒流充電——當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時(shí)，提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。電池電壓隨著恒流充電過程逐步升高，一般單節(jié)電池設(shè)定的此電壓為3.0-4.2V。

階段3：恒壓充電—— 當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí)，恒流充電結(jié)束，開始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少，當(dāng)減小到0.01C時(shí)，認(rèn)為充電終止。（C是以電池標(biāo)稱容量對(duì)照電流的一種表示方法，如電池是1000mAh的容量，1C就是充電電流1000mA。）

階段4：充電終止——有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時(shí)器（或者兩者的結(jié)合）。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時(shí)終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時(shí)計(jì)時(shí)，持續(xù)充電兩個(gè)小時(shí)后終止充電過程。

2、電池充電電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

若設(shè)計(jì)的充電電路沒有防倒灌保護(hù)，將會(huì)產(chǎn)生許多危害。以輸出端接2節(jié)鋰電池串聯(lián)為例，若僅將電源去除，充電器沒有移除，電池內(nèi)的電流倒灌至充電電路中，導(dǎo)致電池電量白白損失。且更嚴(yán)重的安全隱患是：對(duì)于降壓電源芯片來說，電池電流從輸出端，經(jīng)芯片內(nèi)部功率管寄生的二極管倒灌至芯片的VIN端，當(dāng)電路的輸出端電壓（電池電壓）低于設(shè)定值時(shí)，芯片F(xiàn)B點(diǎn)電壓相應(yīng)的也會(huì)低于標(biāo)稱值，芯片開始工作來提高輸出端電壓；由于輸入端電壓幾乎與輸出端相等，對(duì)于降壓芯片來說，輸入端無法給輸出端提供能量，導(dǎo)致FB點(diǎn)電壓一直低于標(biāo)稱值，芯片進(jìn)入占空比100% 的工作狀態(tài)。此時(shí)若是輸入端突然恢復(fù)供電，輸入端電源會(huì)經(jīng)過已經(jīng)打開的功率管直接把能量輸送到輸出端，由于輸入輸出存在壓差，瞬間會(huì)有比較大的電流流過功率管，若此時(shí)由于其它不可控的原因?qū)е滦酒茨芗皶r(shí)有效做出響應(yīng)來關(guān)閉功率管，這個(gè)大電流有可能會(huì)使芯片內(nèi)部開關(guān)管損壞。因此在設(shè)計(jì)電池充電電路時(shí)，我們需要添加防倒灌的措施。

升壓方案由于續(xù)流二極管可以起到防倒灌的作用，所以一般不外加防倒灌措施。但是對(duì)于降壓方案，需要對(duì)電池充電電路添加防倒灌措施。

以XL4301鋰電池充電電路為例，如圖2、圖3所示（紅色虛線框中為防電流倒灌電路）。輸入12V，輸出接單節(jié)鋰電池（3.1V-4.3V），最大充電電流0.8A；其中最大充電電流 IOUT=VCS/RCS=0.11/0.137≈0.803A，最大充電電壓 VOUT=VFB*（1+R2/R1）=1.25*（1+7.87/3.3）≈4.231V。

圖2電路中，我們選擇一個(gè)肖特基二極管防止電流倒灌，這是簡(jiǎn)單有效的方法。為降低肖特基D2溫度，選用的肖特基電流能力是充電電流2倍以上。

由于肖特基壓降比較大，會(huì)增加系統(tǒng)損耗；為減小防倒灌電路產(chǎn)生的損耗，我們可以采用MOS管來防止電流倒灌，如圖3正常工作時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，電流經(jīng)過MOS管給鋰電池充電，MOS管功耗較??；當(dāng)輸入端斷電時(shí)，PMOS關(guān)斷，起到防止電流倒灌的作用。其中DZ1的選取遵循VOUT＜VDZ1 ＜VIN。

備注：當(dāng)輸出端電壓小于8.4V時(shí)，電路中DZ2與R6可以省去。

充電流程

手機(jī)充電器的工作流程一般為：1. 檢測(cè)電池的電壓，如果低于一個(gè)閾值電壓，就要進(jìn)行涓流充電；2. 電池充到一定電壓（一般設(shè)置為2.9V）時(shí)，進(jìn)行全電流充電；3. 當(dāng)電池電壓達(dá)到預(yù)置電壓（鋰離子電池一般為4.2V）時(shí)，開始恒壓充電，同時(shí)充電電流降低；4. 當(dāng)電流逐漸減小到規(guī)定的值時(shí)，充電過程結(jié)束。

電池電壓低于2.5V（Vshort）時(shí)，鋰離子電池充電器用25mA的電流預(yù)充，防止深度放電的鋰離子電池在快充時(shí)被損壞甚至發(fā)生危險(xiǎn)。

對(duì)于電壓過低的電池需要進(jìn)行預(yù)充，電池電壓低于2.5V（Vshort）時(shí)，鋰離子電池充電器用25mA的電流預(yù)充，防止深度放電的鋰離子電池在快充時(shí)被損壞甚至發(fā)生危險(xiǎn)。

充電終止檢測(cè)除電壓檢測(cè)外，還需采用其他的輔助方法作為防止過充的后備措施，如電池溫度監(jiān)測(cè)，檢測(cè)電池溫度用電池組溫度傳感器連續(xù)檢測(cè)電池溫度，當(dāng)電池溫度超出設(shè)定范圍時(shí)關(guān)閉對(duì)電池充電。

限定充電時(shí)間，為電池提供附加保護(hù)。

除了上面的流程描述，它還具有自動(dòng)重新充電、最小電流終止充電等特性。一般來說，恒壓充電結(jié)束時(shí)的小電流充電過程中，電流的大小一般為恒流充電時(shí)電流的十分之一。目前在鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)中，對(duì)手機(jī)充電結(jié)束后由于某種因素放電的情況而專門設(shè)計(jì)了檢測(cè)電路，一旦檢測(cè)到電池電壓降低，就會(huì)重新啟動(dòng)充電過程（見上圖）。

軟件要做的工作是設(shè)置進(jìn)入快速充電的電壓閾值，進(jìn)入恒壓充電的電壓閾值，充電超時(shí)時(shí)間，恒流充電的電流值，恒壓充電的電壓值，充電結(jié)束的電流閾值，中斷處理，提供sys接口給上層都充電的狀態(tài)，包括電池的類型，電池最高電壓，電池最低電壓，電池當(dāng)前電壓，電池電量的百分比，電池的狀態(tài)，充電電流和電池溫度等等。

本文整理自：

《 鋰電池充電的原理》作者：CSDN博主「zhenwenxian」

原文鏈接：https://blog.csdn.net/zhenwenxian/article/details/7471892

《電池充電電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)》瑞勁科技

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