通常為了提高電池充電時的可靠性和穩(wěn)定性，我們會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計充電電路時，我們往往對充電電路每個時間段的工作狀態(tài)及電路設計注意事項存在一些困惑。

 

1、電池充電方式簡介 

 

理論上為了防止因充電不當而造成電池壽命縮短，我們將電池的充電過程分為四個階段：涓流充電（低壓預充，此狀態(tài)的電池電壓比較低，實際使用時，建議將鋰電池欠壓保護點提高，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：先檢測待充電電池的電壓，在電池電壓較低情況下，先進行預充電，充電電流為設定的最大充電電流的1/10，當電池電壓升到一定值后，進入標準充電過程。標準充電過程為：以最大充電電流進行恒流充電，電池電壓持續(xù)穩(wěn)定上升，當電池電壓升到接近設定的最大電壓時，改為恒壓充電，此時，充電電流逐漸下降，當電流下降至最大充電電流的1/10時，充電結束。

 

階段1：涓流充電——涓流充電用來先對完全放電的電池單元進行預充(恢復性充電)。在電池電壓低于3V左右時采用涓流充電，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——當電池電壓上升到涓流充電閾值以上時，提高充電電流進行恒流充電。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)電池設定的此電壓為3.0-4.2V。

 

階段3：恒壓充電—— 當電池電壓上升到4.2V時，恒流充電結束，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，當減小到0.01C時，認為充電終止。（C是以電池標稱容量對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器(或者兩者的結合)。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范圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時，持續(xù)充電兩個小時后終止充電過程。

 

 

2、電池充電電路設計注意事項 

 

若設計的充電電路沒有防倒灌保護，將會產生許多危害。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，電池內的電流倒灌至充電電路中，導致電池電量白白損失。且更嚴重的安全隱患是：對于降壓電源芯片來說，電池電流從輸出端，經芯片內部功率管寄生的二極管倒灌至芯片的VIN端，當電路的輸出端電壓（電池電壓）低于設定值時，芯片F(xiàn)B點電壓相應的也會低于標稱值，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，對于降壓芯片來說，輸入端無法給輸出端提供能量，導致FB點電壓一直低于標稱值，芯片進入占空比100% 的工作狀態(tài)。此時若是輸入端突然恢復供電，輸入端電源會經過已經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，瞬間會有比較大的電流流過功率管，若此時由于其它不可控的原因導致芯片未能及時有效做出響應來關閉功率管，這個大電流有可能會使芯片內部開關管損壞。因此在設計電池充電電路時，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。但是對于降壓方案，需要對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，我們選擇一個肖特基二極管防止電流倒灌，這是簡單有效的方法。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，會增加系統(tǒng)損耗；為減小防倒灌電路產生的損耗，我們可以采用MOS管來防止電流倒灌，如圖3正常工作時，PMOS管導通，電流經過MOS管給鋰電池充電，MOS管功耗較小；當輸入端斷電時，PMOS關斷，起到防止電流倒灌的作用。其中DZ1的選取遵循VOUT＜VDZ1 ＜VIN。

 

 

備注：當輸出端電壓小于8.4V時，電路中DZ2與R6可以省去。

 

充電流程

 

 

手機充電器的工作流程一般為：1. 檢測電池的電壓，如果低于一個閾值電壓，就要進行涓流充電；2. 電池充到一定電壓（一般設置為2.9V）時，進行全電流充電；3. 當電池電壓達到預置電壓（鋰離子電池一般為4.2V）時，開始恒壓充電，同時充電電流降低；4. 當電流逐漸減小到規(guī)定的值時，充電過程結束。

 

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

 

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

 

充電終止檢測除電壓檢測外，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，檢測電池溫度用電池組溫度傳感器連續(xù)檢測電池溫度，當電池溫度超出設定范圍時關閉對電池充電。

 

限定充電時間，為電池提供附加保護。

 

除了上面的流程描述，它還具有自動重新充電、最小電流終止充電等特性。一般來說，恒壓充電結束時的小電流充電過程中，電流的大小一般為恒流充電時電流的十分之一。目前在鋰離子電池充電器的設計中，對手機充電結束后由于某種因素放電的情況而專門設計了檢測電路，一旦檢測到電池電壓降低，就會重新啟動充電過程（見上圖）。

 

軟件要做的工作是設置進入快速充電的電壓閾值，進入恒壓充電的電壓閾值，充電超時時間，恒流充電的電流值，恒壓充電的電壓值，充電結束的電流閾值，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。