基于USB接口的鋰離子電池充電電路設(shè)計(jì)方案

　　目前個(gè)人電腦（PC機(jī)）已得到廣泛應(yīng)用，而USB接口也已成為PC機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口之一。另一方面，使用鋰離子電池的手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器等便攜設(shè)備大量涌現(xiàn)。

　　然而，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(gè)熱點(diǎn)。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(jì)的3種方案，我們可以根據(jù)用途、成本等實(shí)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

　　鋰離子（Li-ion）電池，簡稱鋰電池 《http://bbs.dianyuan.com/tech/battery》，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(diǎn)，但同時(shí)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(xiǎn)。

　　一般鋰電池單節(jié)標(biāo)稱電壓為316~317V，充電時(shí)，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(shí)，應(yīng)改恒流充電為恒壓小電流 （約011C）充電，這個(gè)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(shí)，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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)，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(jì)的難點(diǎn)。

　　2 基于PC機(jī)USB接口充電電路設(shè)計(jì)方案

　　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(gè)電路具有簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)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(shí)候電池極有可能充不滿（充電電壓達(dá)不到4.2V），而有時(shí)候則可 能會過充而損壞電池。這個(gè)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(xiǎn)性。

　　方案二

　　圖2是由MAX1551/1555構(gòu)成的一種實(shí)用USB鋰電池充電電路。MAX1551/1555是MAXIM公司設(shè)計(jì)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(gè)電路，當(dāng)連接到USB口、但無墻壁AC適配器的DC電源時(shí)，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(shí)USB接口的輸入自動被切斷。如果兩個(gè)輸入端都無電壓輸入，電路 則自動截止，這時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)輸出低電平）。