基于BQ24610的智能鋰電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】BQ24610是TI公司推出的一款比較先進(jìn)的，面向5V至28V電壓輸入的鋰離子電池供電應(yīng)用開關(guān)模式獨(dú)立電池充電器IC。基于便攜式分子篩制氧機(jī)的電源管理的設(shè)計(jì)需求，經(jīng)過對一系列芯片原理、性能、參數(shù)設(shè)置的分析討論，最后我們選用BQ24610芯片作為該電源管理部分的主控制芯片，結(jié)合部分外圍電路，實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的電源的自動(dòng)選擇、內(nèi)部回路補(bǔ)償、內(nèi)部軟啟動(dòng)、動(dòng)態(tài)電源管理（DPM）、精確的充電電流與電壓調(diào)節(jié)、預(yù)充電、充電終止、適配器電流調(diào)節(jié)以及充電狀態(tài)監(jiān)控等功能。最后把該設(shè)計(jì)制成實(shí)驗(yàn)板，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，測試結(jié)果實(shí)現(xiàn)了預(yù)期性能指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】BQ24610；智能充電；制氧機(jī)

Abstract：BQ24610 is a more advanced separate battery charger IC switch mode of lithium ion battery power supply application to 28 v to 5 v input voltage by TI company.Based on molecular sieve oxygen concentrator portable power management design requirements，through a series of chip principles，performance，analysis and discussion of parameter settings，and finally we use BQ24610 power management chip as part of the main control chip，combined with some peripheral circuit to achieve the automatic selection of power supply design，the internal loop compensation，internal soft-start，dynamic power management（DPM），the precise charge current and voltage regulation，pre-charge，charge termination，adapter current regulation and charge status monitoring. Finally the design is made ??of experimental board，after repeated testing，the test results to achieve the desired performance.

Key words：BQ24610；Intelligent charging；Oxygen generator

1.概述

隨著移動(dòng)電話、筆記本電腦、平板電腦等眾多便攜式電子設(shè)備的迅速普及應(yīng)用，與之配套的小型鋰離子電池、鋰聚合物電池等二次電池的生產(chǎn)及需求量與日俱增，特別是鋰離子電池體積小、重量輕；循環(huán)壽命長、充電可達(dá)幾百次甚至上千次；自放電率低等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于可移動(dòng)便攜式電子產(chǎn)品中[1]。因此，設(shè)計(jì)一套高精度鋰離子充電管理系統(tǒng)對于鋰離子電池應(yīng)用是至關(guān)重要的，嚴(yán)格防止在電池的使用中出現(xiàn)過充電、過放電等現(xiàn)象[2]。

目前比較成熟的鋰電池充電管理方案就是基于筆記本電腦的方案，該類電源管理方案已經(jīng)接近成熟，但是往往成本較高，不太符合應(yīng)用于便攜式分子篩制氧機(jī)設(shè)計(jì)中。結(jié)合成本與性能的考慮，最后我們選擇BQ24610芯片作為主芯片，結(jié)合外圍電路，來設(shè)計(jì)便攜式分子篩制氧機(jī)電源管理模塊。

BQ24610是TI公司生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)5V-28V鋰電池充電管理。充電控制器與傳統(tǒng)的控制器相比較，效率更高，散熱更少；充電電壓及電流的準(zhǔn)確度接近百分之百，有助于延長電池使用壽命；集成型獨(dú)立解決方案可提高設(shè)計(jì)靈活性，縮小整體解決方案尺寸，更有利于廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備中；動(dòng)態(tài)電源管理可在電池充電時(shí)仍可為系統(tǒng)供電，最大限度地提高適配器功率[3]。本文就通過在實(shí)際中的探索，對電池充電控制器和選擇器芯片BQ24610的基本性能、工作原理、參數(shù)設(shè)置及應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。

2.BQ24610功能及特性

2.1 引腳介紹

ACN（引腳1）：適配器電流誤差放大器負(fù)輸入。（引腳2）：適配器電流誤差放大器正輸入。（引腳3）：AC或適配器電源選擇輸出。CE（引腳4）：充電使能，邏輯高電平輸入。高電平充電時(shí)能，低電平停止充電，它有一個(gè)1MΩ內(nèi)部下拉電阻。STAT1（引腳5）：漏極開路充電狀態(tài)指示按鈕，指示各種充電操作。TS（引腳6）：電池組溫度CP系數(shù)檢測。TTC（引腳7）：安全時(shí)間和終止控制。（引腳8）：開漏輸出狀態(tài)良好指示。STAT2（引腳9）：漏極開路充電狀態(tài)指示按鈕，指示各種充電操作。VREF（引腳10）：3.3V參考電壓輸出。ISET1（引腳11）：快速充電電流輸入設(shè)置。VFB（引腳12）：輸出電壓模擬反饋調(diào)整。SRN（引腳13）：電池電流誤差放大器負(fù)輸入。SRP（引腳14）：電池電流誤差放大器正輸入。ISET2（引腳15）：預(yù)充電和終止當(dāng)前輸入設(shè)置。ACSET（引腳16）：適配器當(dāng)前輸入設(shè)置。（引腳23）：電池和系統(tǒng)之間的MOSFET驅(qū)動(dòng)輸出。

2.2 工作原理

BQ24610充電電路工作原理如圖2所示[3]，該充電電路基本工作原理可分為預(yù)充、快充和終止階段。

當(dāng)接通電源，如果VBAT

快充分恒流充電和恒壓充電兩個(gè)階段，在該充電階段，恒流充電電流不變，電壓持續(xù)上升，當(dāng)電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電壓時(shí)，充電進(jìn)入恒壓充電階段。在恒壓階段，充電電流逐漸減小，BQ24610負(fù)責(zé)管理充電電流。在VTT有效情況下，如果VVFB>VRECH，并且ICHARGE

BQ24610能夠自動(dòng)選擇適配器或者電池給負(fù)載供電，當(dāng)處于上電狀態(tài)或者睡眠模式的時(shí)候，電池連到負(fù)載。當(dāng)電池跳出睡眠模式30ms，電池自動(dòng)與負(fù)載斷開，適配器與電池相連。一個(gè)自動(dòng)閉合邏輯防止轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的時(shí)候電流擊穿。每次確保輸出電容或者電源轉(zhuǎn)換器沒有充或擊穿之后，進(jìn)入快速充電模式，充電器自動(dòng)軟啟動(dòng)充電器調(diào)節(jié)電流。

3.便攜式制氧機(jī)中的鋰離子電池充電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

依據(jù)參數(shù)要求，我們結(jié)合BQ24610的特性設(shè)計(jì)了一套適合四節(jié)鋰離子電池的充放電系統(tǒng)，電路圖如圖3所示。該系統(tǒng)是給便攜式分子篩制氧機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)了以下設(shè)計(jì)：

3.1 適配器或電池供電的設(shè)計(jì)

主要通過兩個(gè)P溝道的MOSFET實(shí)現(xiàn)。BQ24610能夠自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)適配器或者電池給負(fù)載供電，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)或者進(jìn)入睡眠模式時(shí)，電池默認(rèn)與系統(tǒng)連接，當(dāng)退出休眠模式30ms，電池自動(dòng)與系統(tǒng)斷開，適配器與系統(tǒng)連接。每次進(jìn)入快速充電，當(dāng)確定沒有過充、輸出電容和電源轉(zhuǎn)換器沒有過壓現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)軟啟動(dòng)充電電流管理。當(dāng)CE引腳的狀態(tài)指示燈亮表明系統(tǒng)進(jìn)入充電使能狀態(tài)。

3.2 鋰電池的電量檢測與充電指示設(shè)計(jì)

通過分壓法采集電池電量AD信號，通過I/O口傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對信號進(jìn)行處理做出反應(yīng)。電池充電狀態(tài)的顯示是通過兩個(gè)LED燈（STAT1、STAT2），實(shí)現(xiàn)充電與充電完成狀態(tài)顯示。當(dāng)SRN與SRP之間的電壓低于5mv時(shí)，芯片自動(dòng)控制進(jìn)入周期循環(huán)充電潛流保護(hù)，這能夠阻止引起提振效應(yīng)的負(fù)面感應(yīng)電流。提振效應(yīng)能夠隨著電池到輸入電容的輸入電壓增大，導(dǎo)致VCC引腳過壓，引起系統(tǒng)損壞。輸入過壓和低壓保護(hù)，能夠有效的預(yù)防過壓或低壓對系統(tǒng)造成的損壞。電池的過壓保護(hù)，充電電流過流保護(hù)，熱關(guān)機(jī)保護(hù)等一系列的保護(hù)措施能夠大大提高系統(tǒng)的安全性。

3.3 系統(tǒng)電壓低于12V時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)的設(shè)計(jì)

通過一個(gè)含有最大限制電壓是30V的P溝道MOSFET和一個(gè)分流基準(zhǔn)源實(shí)現(xiàn)，在此部分電路中電阻R43，R44需要滿足12*R44/（R43+R44） =2.5，經(jīng)計(jì)算取R43=38K，R44=10K

3.4 系統(tǒng)按鍵開關(guān)的設(shè)計(jì)

含有按鍵開關(guān)的S1部分能夠?qū)崿F(xiàn)該功能，主要原理如下：按鈕按下前，VT2的GS電壓（即C1電壓）為零，VT2截止，V1的GS電壓為零，V1截止無輸出；當(dāng)按下S1，C1充電，VT GS電壓上升至約3V時(shí)VT2導(dǎo)通，并迅速飽和，V1 GS電壓小于-4V，V1飽和導(dǎo)通，VOUT有輸出，發(fā)光管亮，C1通過R6、R12繼續(xù)充電，V1、VT2狀態(tài)被鎖定；當(dāng)再次按下按鈕時(shí)，由于VT2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，漏極電壓約為0VC1通過R3放電，方至約3V時(shí)，VT2截止，V1柵源電壓大于-4V，V1截止，VOUT無輸出，發(fā)光管滅，C1通過R6、R12及外電路繼續(xù)放電，V1、VT2維持截止?fàn)睢?/p>

3.5 電流電壓參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.5.1 預(yù)充電電流設(shè)計(jì)

電池的預(yù)充電電流IPRECHARGE由引腳ISET2的電壓確定，大小為充電電流的1/6。

（1）

根據(jù)公式（1）電池預(yù)充電電流為0.6A。

3.5.2 適配器電流設(shè)計(jì)

與電池的電流大小類似，通過ACSET引腳的輸入來設(shè)置適配器的電流，適配器電流大小是由連接ACP引腳與ACN引腳的電阻RAC決定。

（2）

VACSE，是ACSET引腳的輸入電壓，范圍在（0-2）V之間。VISET1=2V，RSR=30mΩ，根據(jù)公式（2），充電電流設(shè)定為3.1A。

3.5.3 充電電壓設(shè)計(jì)

電池充電調(diào)整電壓VBAT通過電池和地之間的電阻進(jìn)行設(shè)定，從中間部分與VFB引腳相連。

（3）

R2在VFB和電池之間，R1在電池和地之間。

取R1=4K，R2=28K，根據(jù)公式（3），該系統(tǒng)中充電電壓設(shè)定為16.8V。

3.5.4 充電電流的設(shè)計(jì)

通過ISET1引腳的輸入來設(shè)置最大的快速充電電流，電池的充電電流由SRP、SRN之間的電阻RSR決定。

（4）

VISET1，是ISET1引腳的輸入電壓，范圍在（0-2）V之間。VACSETT=2V，RAC=25mΩ，根據(jù)公式（4），適配器電流設(shè)定為3.9A。

4.結(jié)論

通過試驗(yàn)結(jié)果分析，充電電壓在16.5V左右浮動(dòng)，準(zhǔn)確度超過95%，充電電流在3.1A左右浮動(dòng)，準(zhǔn)確度超過99%。系統(tǒng)的輸入過壓過流保護(hù)、電池的過壓、過流保護(hù)，高溫保護(hù)準(zhǔn)確度達(dá)到了99%。經(jīng)過多次試驗(yàn)該電路能其要求的功能。

本文系統(tǒng)地分析了鋰離子電池充電控制集成電路芯片應(yīng)用中常用到的技術(shù)問題，并給出了在便攜式制氧機(jī)中的典型應(yīng)用實(shí)例。根據(jù)系統(tǒng)對電池的應(yīng)用需求，通過合理設(shè)置BQ24610的外部元件參數(shù)，就可構(gòu)成一個(gè)功能完備的鋰離子電池充電器。該設(shè)計(jì)能夠很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)鋰離子電池充電器的功能，可作為有關(guān)設(shè)計(jì)人員對電池充電器進(jìn)一步開發(fā)的參考。該類集成芯片系列較多，但在使用方法上存在許多類似之處，這使得本文的分析討論在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的實(shí)用價(jià)值和參考價(jià)值，為電池充電電路設(shè)計(jì)者提供了有用的參考，同時(shí)也可為其他電子元件的應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]王秀榮，黃偉志.基于BQ24703的智能電池充放電系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶，2007，14（1）：26-27.

[2]鄭宏軍，黎昕，孟祥國，等.MAX1758構(gòu)成鋰離子電池充電控制器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2004，31（5）：41-43.

[3]Texas Instruments.Stand-Alone Synchronous Switch-Mode Li-Ion or Li-Polymer Battery Charger with System Power Selector and Low Iq[EB/OL].（2011-9-27）[2013-8-15].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/bq24Pdf.

作者簡介：

劉曉梅（1964—），女，遼寧沈陽人，大學(xué)本科，副教授，主要從事智能測控技術(shù)與裝置開發(fā)與研制和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)的研究。

劉丹丹（1988—），女，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：智能信息處理。