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基于USB接口的锂离子电池充电电路设计与实现

作者:时间:2013-11-25来源:网络

概述

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/227830.htm

锂离子(Li-ion)电池,简称锂电池,是近年来逐渐普及使用的一种新型电池,具有体积小、重量轻、容量大(能量密度高)、自放电率低以及无记忆效应等优点,但同时它也有一些致命的缺陷:对充电、放电的要求比较苛刻,不能过充和过放,否则容易造成不可逆转性损坏,在短路、过充等极端情况下还有可能发生爆炸,产生危险。

一般锂电池单节标称电压为316~317V,充电时,一般要求采用限压限流法,首先恒流充电,即电流一定,充电电流按国家标准规定的低倍率充电是0.2C(仲裁充电制式),最大不超过1C;而电池电压随着充电过程逐步升高,当电池端电压达到终止电压412±0105V时,应改恒流充电为恒压小电流(约011C)充电,这个状态一般称为涓流充电状态。充电电流根据电芯的饱和程度,随着充电过程的继续逐步减小,当减小到0101C时,认为充电终止。

是英文UniversalSerialBus的缩写,中文含义是“通用串行总线”。它是一种应用在PC领域的新型接口技术。USB使用一个4针插头作为标准插头与外部设备进行连接。在这个4针插头中, 有两针为数据通信线,而外侧的两针则为外部设备提供电源。按照USB规范,每个应能提供500mA的电流输出;由USB主机或带电源的集线器提 供的USB接口,所接外设端的最小可用电压为4.5V,而由USB总线驱动的集线器能提供的最小则应为4.35V。值得注意的是,虽然USB规范定义了提 供的电流上限不得超过015A,但实际上USB端口输出的电流经常超过几安培。

由以上分析可以看出,利用USB接口为锂电池充电,电流方面应该是足够的,关键是如何控制电流的大小。另外,使用电压最小为4.35V的USB接口给典型要求为4.2V的锂电池充电时,电压上只有很小的裕度,这使得的压降变得极为重要,是设计的难点。

基于PC机USB接口设计方案

(1)方案一

图1是市面上的一些“USB充电线”的内部电路。其主要原理是利用电阻限定最大电流,利用二极管的压降(约0.7V)把USB接口5V左右的输出电压降到 4.2V左右然后对锂电池充电。这个电路具有简单、成本低的优点,但缺点也是显而易见的:充电电流和充电电压因USB接口的不同以及电池状态的不同而有所不同,基本上无法把握,在很多时候电池极有可能充不满(充电电压达不到4.2V),而有时候则可 能会过充而损坏电池。这个电路对一些内部具有完善保护电路的锂电池来说尚可接受,而对普通锂电池则有一定危险性。

基于USB接口的锂离子电池充电电路设计与实现

(2)方案二

图2是由MAX1551/1555构成的一种实用USB锂电池。MAX1551/1555是MAXIM公司设计生产的USB单节锂电池充电芯片,为5引脚薄型SOT23封装,允许USB接口或者墙壁AC适配器3.7V~7V范围的电压输入。芯片内部还具有温度限制电路。

对于这个电路,当连接到USB口、但无墙壁AC适配器的DC电源时,充电电流被设定为100mA(最大值)。这样在不需要端口通信的情况下,就允许从供电的 或未供电的USB口充电。当DC电源接通后,充电电流被设定为280mA(典型值),同时USB接口的输入自动被切断。如果两个输入端都无电压输入,电路 则自动截止,这时电池的反向漏电流小于5uA,无需外加二极管来防止电池漏电而发生损耗。

基于USB接口的锂离子电池充电电路设计与实现

当电池电压低于3V时,会进入充电电流被限定为40mA的预充电模式(涓流充电状态),只有当电池被充到3V以上时才进入正常的充电模式(100mA或280mA)。这样的模式保护了深度放电的电池。图3和图4分别是用DC电源盒USB接口作为输入的电池电压与充电电流的关系曲线。

基于USB接口的锂离子电池充电电路设计与实现

基于USB接口的锂离子电池充电电路设计与实现

另外,对于MAX1551“,/POK”用于指示输入电源是否接通(输入电压3。95V时输出低电平);而对于MAX1555“,/CHG”用于指示充电状态(当充电电流大于50mA时输出低电平),其他的特性参见MAX1551/1555的数据手册。(3)方案三

应该说,方案二是一个安全、各方面考虑比较周全和完善的USB锂电池充电方案。但该方案的缺点在于:充电电流被固定在100mA或280mA左右,特别是在 USB接口供电时,只能是100mA的充电电流对于容量较大电池来说,需要花费相当长的充电时间。另外一个缺点是没有充电定时功能,充电的结束与否不能进 行人为控制。图5是另一个实用USB接口充电电路,使用LTC4053作为设计核心,既保持了方 漏电开关相关文章:漏电开关原理
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