usb接口充電電路設(shè)計方案選擇與分解（MAX1551/1555 LTC4053）

如何利用隨處可見的電腦USB接口為這些設(shè)備所用的鋰離子電池充電，是目前USB接口應(yīng)用的一個熱點。鑒于此，本文提出了基于USB接口的鋰離子電池充電電路設(shè)計的3種方案，我們可以根據(jù)用途、成本等實際情況來選擇不同的方案以滿足不同的要求。

1 鋰離子電池及USB接口概述

鋰電池是近年來逐漸普及使用的一種新型電池，具有體積小、重量輕、容量大（能量密度高）、自放電率低以及無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，但同時它也有一些致命的缺陷：對充電、放電的要求比較苛刻，不能過充和過放，否則容易造成不可逆轉(zhuǎn)性損壞，在短路、過充等極端情況下還有可能發(fā)生爆炸，產(chǎn)生危險。

一般鋰電池單節(jié)標(biāo)稱電壓為316~317V，充電時，一般要求采用限壓限流法，首先恒流充電，即電流一定，充電電流按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的低倍率充電是 0.2C（仲裁充電制式），最大不超過1C;而電池電壓隨著充電過程逐步升高，當(dāng)電池端電壓達(dá)到終止電壓412±0105V時，應(yīng)改恒流充電為恒壓小電流 （約011C）充電，這個狀態(tài)一般稱為涓流充電狀態(tài)。充電電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)逐步減小，當(dāng)減小到0101C時，認(rèn)為充電終止。

USB接口是英文UniversalSerialBus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它是一種應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。USB使用一個4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭與外部設(shè)備進(jìn)行連接。在這個4針插頭中， 有兩針為數(shù)據(jù)通信線，而外側(cè)的兩針則為外部設(shè)備提供電源。按照USB規(guī)范，每個USB接口應(yīng)能提供500mA的電流輸出；由USB主機(jī)或帶電源的集線器提供的USB接口，所接外設(shè)端的最小可用電壓為4.5V，而由USB總線驅(qū)動的集線器能提供的最小則應(yīng)為4.35V.值得注意的是，雖然USB規(guī)范定義了提供的電流上限不得超過015A，但實際上USB端口輸出的電流經(jīng)常超過幾安培。

由以上分析可以看出，利用USB接口為鋰電池充電，電流方面應(yīng)該是足夠的，關(guān)鍵是如何控制電流的大小。另外，使用電壓最小為4.35V的USB接口給典型要求為4.2V的鋰電池充電時，電壓上只有很小的裕度，這使得充電電路的壓降變得極為重要，是設(shè)計的難點。

2 基于PC機(jī)USB接口充電電路設(shè)計方案

2.1方案一

圖1是市面上的一些“USB充電線”的內(nèi)部電路。其主要原理是利用電阻限定最大電流，利用二極管的壓降（約0.7V）把USB接口5V左右的輸出電壓降到 4.2V左右然后對鋰電池充電。這個電路具有簡單、成本低的優(yōu)點，但缺點也是顯而易見的：充電電流和充電電壓因USB接口的不同以及電池狀態(tài)的不同而有所不同，基本上無法把握，在很多時候電池極有可能充不滿（充電電壓達(dá)不到4.2V），而有時候則可 能會過充而損壞電池。這個電路對一些內(nèi)部具有完善保護(hù)電路的鋰電池來說尚可接受，而對普通鋰電池則有一定危險性。

2.2方案二

圖2是由MAX1551/1555構(gòu)成的一種實用USB鋰電池充電電路。MAX1551/1555是MAXIM公司設(shè)計生產(chǎn)的USB單節(jié)鋰電池充電芯片，為5引腳薄型SOT23封裝，允許USB接口或者墻壁AC適配器3.7V~7V范圍的電壓輸入。芯片內(nèi)部還具有溫度限制電路。

對于這個電路，當(dāng)連接到USB口、但無墻壁AC適配器的DC電源時，充電電流被設(shè)定為100mA（最大值）。這樣在不需要端口通信的情況下，就允許從供電的 或未供電的USB口充電。當(dāng)DC電源接通后，充電電流被設(shè)定為280mA（典型值），同時USB接口的輸入自動被切斷。如果兩個輸入端都無電壓輸入，電路 則自動截止，這時電池的反向漏電流小于5uA，無需外加二極管來防止電池漏電而發(fā)生損耗。

當(dāng)電池電壓低于3V時，會進(jìn)入充電電流被限定為40mA的預(yù)充電模式（涓流充電狀態(tài)），只有當(dāng)電池被充到3V以上時才進(jìn)入正常的充電模式（100mA或 280mA）。這樣的模式保護(hù)了深度放電的電池。圖3和圖4分別是用DC電源盒USB接口作為輸入的電池電壓與充電電流的關(guān)系曲線。

另外，對于MAX1551“，/POK”用于指示輸入電源是否接通（輸入電壓3.95V時輸出低電平）；而對于MAX1555“，/CHG”用于指示充電狀態(tài)（當(dāng)充電電流大于50mA時輸出低電平）。

2.3方案三

應(yīng)該說，方案二是一個安全、各方面考慮比較周全和完善的USB鋰電池充電方案。但該方案的缺點在于：充電電流被固定在100mA或280mA左右，特別是在 USB接口供電時，只能是100mA的充電電流對于容量較大電池來說，需要花費相當(dāng)長的充電時間。另外一個缺點是沒有充電定時功能，充電的結(jié)束與否不能進(jìn)行人為控制。圖5是另一個實用USB接口充電電路，使用LTC4053作為設(shè)計核心，既保持了方案二的優(yōu)點又解決了上述不足。

LTC4053是凌特（Linear）公司推出的一款可以從一個USB接口直接供電的鋰離子電池用獨立型定時終止恒流/恒壓線性充電器IC，為10 腳MSOP封裝。可以直接由USB接口對單節(jié)鋰電池進(jìn)行充電，也可以允許使用墻壁AC適配器的DC電源作為供電電源。所需的輸入電壓范圍是 4.25V~6.5V.包括一個片內(nèi)功率MOSFET管。這個芯片的最大特點是允許設(shè)計者自行設(shè)定充電電流和充電時間，充電終止電壓則已預(yù)設(shè)為4.2V.

在圖5中，充電電流是由LTC4053的PROG（7）引腳上的電阻R來設(shè)定的，其計算公式為：R=1500V/ICHG，例如要設(shè)定的充電電流為 500mA，則R=1500V/015A=3kΩ。充電電流最大可設(shè)為1125A.圖6為充電電流與電池電壓的關(guān)系曲線圖。

LTC4053的TIMER（4）引腳上的電容C用于設(shè)定充電時間，計算公式為：T（小時）=C（uF）？3/011uF.當(dāng)C=011uF時，充電時間為3小時。

這個電路具有類似方案二預(yù)充電模式的涓流充電模式，并特有故障電池檢測功能：當(dāng)電池電壓低于2.48V時，以全標(biāo)度電流的10%涓流充電；如果這種狀態(tài)持續(xù)的時間超過總充電時間的四分之一，則認(rèn)為電池已損壞而停止充電循環(huán)。

LTC4053本身具有完善的溫度檢測和補償、調(diào)整功能，可以允許用戶安全地以較大電流充電從而大大減少充電時間，圖7為充電電流與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線圖。同樣，當(dāng)LTC4053無電壓輸入時，電路能自動截止，反向漏電流小于5uA，無需外加二極管來防止電池漏電，避免了電池的損耗。

3 結(jié)語

毫無疑問，在這三個方案中，第三個方案的功能是最完善，其設(shè)計應(yīng)用的靈活性也最大的，但芯片的引腳較多，器件成本可能也比別的方案要高些。在實際中，我們可以根據(jù)用途、成本等實際情況來選擇不同的方案以滿足不同的要求。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展、新器件的不斷推出，我們相信會有更多更好的USB充電方案出現(xiàn)。