淺議兼容USB的便攜式設備鋰電池充電電路設計

摘 要：由于鋰離子電池具有高電壓、高能量密度、低自放電率及沒有記憶反應的特點，所以非常適合做現代電子產品的電源。然而鋰離子電池在使用時要控制好充電時間，避免在溫度高的環境中使用，以增加其耐用能力[1]。基于此，怎么將鋰離子電池通過電腦USB接口給所用設備充電，為現在USB接口使用的關鍵。文中在闡述鋰離子電池保護電路參數的基礎上，設計可隨身攜帶USB設備充電電路，且具有兼容性。此設計花費低、簡便，可用于隨身攜帶的電子產品上。

關鍵詞：充電電路；鋰離子；USB；便攜式設備；電池；充電

中圖分類號：TM910.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-01

鋰離子電池應用量僅次于鎳氫、鎳鎘電池，因為它使用時間長、所需電壓高、自放電少、對環境無不良影響等優點，目前已作為電源在一些的小型電子產品上使用。鋰離子電池為依次用兩類脫嵌和可逆嵌入鋰離子的相互間混合物作正負極活性物質而組合的二次電池，現在工廠基本都在用高嵌脫鋰電位的LiCoO2類材料為正極，負極的碳類材料是低嵌脫鋰電位。鋰離子電池在使用上受其充放電循環的影響很大，與別的二次電池相同，在循環過程中鋰離子電池也存在容量降低的現象。

USB即通用串行總線，它是應用在現代PC領域的一種新型的接口技術。USB使用4針插頭作為它的標準插頭和外部的設備進行連接。在這個4針插頭中，其中的兩針是數據通信線，處在外側的另外兩針為外部的設備提供電源。由USB主機與集線器（有電源）能供給的USB的接口所連接設備的電壓最低可為4.5V，其總線所驅動的集線器能供給的電壓最低是為4.35V。

由上面的剖析可得出，在鋰電池充電時通過USB接口，電流能夠保證，而電流的大小調整較難。在給工作電壓是4.2V的鋰電池來充電時，若用4.35V最低電壓的USB接口，則裕度不高，這在設計上就要考慮好充電電路的點壓的降幅。

一、電池的保護電路參數

（一）電池電壓

電池的正負極和電池開路的電壓在材料上以及電池是否在充電有聯系。3.6V和3.7V與3.6V是電池的2個額定電壓。一般都是用3.7V。4.2V是充電完成的電壓，2.75V是放電完成的電壓。鎳鎘和鎳氫與鎳鎘電池電壓約是單體鋰離子電池電壓的1/3[2]，即因為需調整到要求的組端電壓，所需的鋰離子電池只有鎳福、鎳氫電池數量的1/3，這就減少了所需電池的數目，從而簡化了設計。

鋰離子電池在電壓方面的應用條件高，起誤差要小于1%。若應用的電池的完成的電壓是4.2V，則誤差不能超過0.042V。否則會嚴重影響電池的壽命，降低電池使用時間。鋰電池充放電電路可以等效為圖1所示電路圖，對于3芯的鋰電池，充電時的端電壓表達式為：V0=3Vcell+Rd×Icharge

充電時的端電壓表達式為：V0=3Vcell-Rd×Icharge

（二）充放電的電流

鋰離子的電池對于充放電所允許的電流有一定限制。一般情況下采用的充電率大約為0.25～1C。進行大電流的充電時，還要檢測電池的溫度，以防止電池的過熱從而損壞電池。較大放電電流會造成電池的發熱嚴重，損壞電池的組成物質。

（三）過放、過充與過溫現象

若有4.5V以上的電壓用在鋰離子類型電池兩端時，則很容易引起過充。這種情況下負極地方在石墨里所進入的鋰離子已處于飽和，鋰晶枝此時有堆在負極的鋰形成，從而使電池的容量降低。并且鋰離子由電池的正極調出，減少了電池的容量與正極處材料的活性。

電池的過放現象指由于完成電壓高于電池的電壓時，放電沒有停止，引起電池電壓持續減少。電極在過放時出現晶枝，進而產生短路。鋰離子電池中的LiNi02、 LiC6（活性物質）過溫時和電解液的化學反應一般會發生，放出大量的熱。出現這種現象時，電池溫度將大幅生高，會將電池燃燒并引發電池爆炸。

二、設計軟件

因為在設計中控制中心安放了微處理器，因此設計對于軟件很關鍵。保護電路通上電，最先初始化的是ATJ2085，再掃描檢查A/D通道。時鐘有Timer0計數器代替，它的獲取主要通過內部的時鐘源進行分頻。然后通過軟件進行Timer0計數，溢出一次所需的周期為250個時鐘，最后延時可符合4ms的規定。軟件里面軟件檢測的措施，25次計數得出計時100ms。溢出中斷應用于Timer0，經由中斷程序確定好電壓額定范圍及A/D轉換。A/D模塊配有8通道模擬人工輸入形式，確定A/D做完與否可通過查詢的辦法，主程序在等待時消耗的時間較長，按照A/D取樣結果，來確定它有沒有過放電及過充電，并操縱MOS管的關閉與打開。

三、結束語

文中所設計的便攜式設備鋰電池充電電路可以約束好過放電與過充電，使電池組能正常應用，并且采用兼容USB電路充電在產品的應用和研制上十分方便，此設計方式費用少、非常簡便，適合于在便攜式電子產品中應用。

參考文獻：

[1]吳宇平，萬春榮.鋰離子電池[M].北京：化學工業出版社，2002.

[2]陸安江，張正平，葉茂森.基于ATJ2085的按鍵電路設計[J].微納電子技術，2007.

[3]鄧紹剛，汪艷，李秀清.鋰電池保護電路的設計[J].電子科技，2006（10）：68-72.