新型高性能超級電容充電器的設(shè)計方案

1 引言

鋰離子電池因具有體積小、重量輕與能量密度高等優(yōu)勢，所以在GSM/CDMA和高端便攜式產(chǎn)品（如數(shù)字相機、攝像機等）中被廣泛應(yīng)用。鋰離子電池在使用中為避免過充電、過放電對其造成的損害，而對保護電路要求較高。從而要求鋰電池充電器具有嚴格與完善的安全保護特性。

為此，應(yīng)用新型的DS2770和DS2720芯片可以設(shè)計一個具有充電控制、電源控制、電量計數(shù)、電池保護、計時和對電池組能識別等功能的高性能鋰電池充電器，其原理圖如圖1所示。它可替代目前市場上已有的鋰電池保護/充電控制電路（充電器）。

2 充電組合電路（充電器）的組成

2.1 電路組成

如圖1所示，整個組合電路由DS2770充電控制器/電量計、DS2720電池保護器、DS2415實時時鐘（RTC）三個芯片組成。它們均公用一個地 （VSS或Gnd）、電源（Vdd）和通信線（DQ或DATA）。而所有的電容（從C1到C10）和電阻（從R1到R12）的作用是對干擾信號濾波及對ESD（靜電放電）的保護。

圖1 新型高性能鋰離子電池充電器設(shè)計方案圖

該充電器的負載（即主設(shè)備）是通過PACK+和PACK-引腳獲得電源的，而充電器與主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信是通過標準的l-Wire接口（標為DATA）進行。DS2720芯片的的PS引腳和主系統(tǒng)的開/關(guān)控制相連接，且作充電器的使能輸入（低電平有效）。圖1中引腳Charge source可連接到充電電源，而充電電流能按照電池額定的充電條件加以限制，其充電電壓最高至15V.

整個充電器在工作模式下消耗不足100μA的典型電流，而處于靜止狀態(tài)（即鋰電池不處于充電狀態(tài)）時典型消耗電流不到20μA.

2.2 DS2770芯片功能與特點

DS2770是一款集成了電池電量計量和鋰離子或鎳基電池充電控制器的新型芯片，其框圖如圖2所示。它還包含一個可選擇的25mΩ檢測電阻，用來實現(xiàn)充電電流測量。內(nèi)置的測量電路能檢測電壓和溫度值，作為充電終止的判據(jù)和安全充電環(huán)境的判據(jù)。所有測量結(jié)果保存在16字節(jié)的SRAM存儲器中，它的40字節(jié)的EEPROM留給用戶使用。與主系統(tǒng)所有信息交換都通過它的標準的l-Wire通信接口實現(xiàn)。該芯片為低功耗，工作狀態(tài)耗電僅為80μA,靜態(tài)消耗電流為0.5μA.

圖2 DS2770框圖

DS2770引腳及其功能如下：

UV 當電池電壓檢測為低值時的輸出端，其低電平有效；

CC 充電控制輸出，其低電平有效；

Vch 充電電壓輸入；

SNS 電流撿測電阻連接端；

Vdd 芯片電源端；

Vss 地端；

DATA 數(shù)據(jù)輸入/輸出端；

LS1與LS2 電流檢測輸入端；

Vin 電池電壓檢測輸入。

3 充電組合電路的保護特性

如圖1所示，應(yīng)用外接的二只N溝道MOSFET（IRF840）Vp3與Vp4和DS2720芯片來實現(xiàn)對單體鋰離子或鋰聚合物電池安全保護，即可以達到保護電池免受過量充電、過量消耗、過高放電電流以及過高溫度損害等。DS2720具有涓流充電功能，可恢復(fù)已深度放電的電池。用主系統(tǒng)軟件還能夠通過DS2720與DS2770芯片的引腳DQ檢測到電池產(chǎn)生故障的原因并由主系統(tǒng)向用戶匯報。

需要指出的是MOSFET管被接在了充電組合電路的高端，位于充電電源和鋰離子電池正端之間。為確保其數(shù)據(jù)在發(fā)生保護性故障或當充電組合電路處于休眠模式時不丟失，最好由鋰離子或鋰聚合物電池直接給DS2770和DS2415供電。否則的話，當MOSFET被關(guān)掉時數(shù)據(jù)將丟失。該DS2720芯片為低功耗，工作狀態(tài)耗電僅為12.5μA,靜態(tài)消耗電流為1.5μA.

DS2720引腳及其功能如下：

PLS 電池組的正端輸入；

PS 系統(tǒng)（功率）開關(guān)檢測輸入，低電平有效；

DQ 數(shù)據(jù)輸入/輸出；

CP 電量儲存容量；

CC 充電控制輸入；

DC 放電控制輸出。

4 充電與控制

DS2770的功能之一是利用簡單的限流型電源給電池充電，通過控制外部PNP晶體管Vp1（FMMT718型）和Vp2（4403型），DS2770能以恒定電流給鋰離子或鋰聚合物基的電池組進行均充電，直到電壓上升到工廠設(shè)定的4.1V或4.2V限值。然后，它以脈沖充電方式注滿電池。

DS2770還提供了一個輔助的充電終止控制，即當電池溫度超過+50℃或電池的充電時間超過用戶設(shè)定的最大充電時間時均能終止充電。要啟動充電，只需接個限流型電源（最高15V）到Charge source端即可。

5 充電電量計數(shù)

DS2770也可用作一個高精度電量計。電流測量通過一個內(nèi)部的25mΩ檢測電阻實現(xiàn)（見圖2），其最低分辨率為62.5μA,動態(tài)范圍高達±2A的平均電流。

在GSM/CDMA應(yīng)用中，DS2770可十分容易地跟蹤放電電流，它內(nèi)部的自動補償功能可在芯片整個工作范圍之內(nèi)保持測量的精確度，并能對所累加的電流、電壓和溫度進行實時測量，再加上保存于DS2770內(nèi)EEPROM的電池特性數(shù)據(jù)，使得主系統(tǒng)處理器能夠精確計算出電量，同時僅消耗很少的系統(tǒng)資源。由于DS2770直接由電池驅(qū)動，電量計數(shù)信息在電池組被拿開或由于保護性故障電源失效時不會被丟失。

6 實時時鐘RTC

DS2415為主系統(tǒng)提供了一個精度達2分鐘/月的RTC.它需要一個32.768kHz/6pF的外部晶體連接到DS2415的引腳Xl和X2.由于DS2415直接由電池供電，這種結(jié)構(gòu)是其它充電器電路所沒有的。而將DS2415時鐘置于MOSFET管的內(nèi)側(cè)，可以為主系統(tǒng)提供一個高精度保障的時鐘，甚至當主系統(tǒng)電源失去時也可以保持正確的時間信息，免去了在主系統(tǒng)中增加超級電容或紐扣電池作為備用電源的麻煩。

DS2415引腳功能如下：

Vbat 電源輸入腳2.5~5.5V.

7 電池組信息的保存

DS2770含有40字節(jié)的EEPROM留給用戶訪問，而DS2720又額外增加了8個字節(jié)。電池組制造商可以利用這些空間保存相關(guān)的電池組信息，例如電池化學(xué)類型，組裝日期，用于電量計數(shù)的電池特有信息等，一旦寫入EEPROM將永久鎖定，甚至于當主系統(tǒng)電源丟失和ESD事件發(fā)生時仍能保證數(shù)據(jù)的完整性。此外，每個芯片具有一個唯一的64位序列碼，以便于讓主系統(tǒng)或充電器識別。

8 結(jié)語

按此方案實施的高性能鋰電池充電組合電路（充電器）具有較高的性能價格比，即功能優(yōu)異而成本低廉。