锂电池线性充电管理IC_20111202

锂电池线性充电管理IC
一、为什么需要充电管理IC
因为锂电池本身是由化学物质组合而成的，化学物质在电离充电的过程中有其特有的充电特性，所以根据自身的充电特性来配置充电IC的性能，以达到正确、安全、高效的使用锂电池。

二、锂电池工作原理
1、锂电池原料
·正极材料：LiCoO2(钴酸锂)+导电剂+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）
·负极材料：石墨+导电剂+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+ 集流体（铜箔）
·隔膜纸
2、充电过程
电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子从正极“跳进”电解液里，通过电解液“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，运动到负极，与早就通过外部电路跑到负极的电子结合在一起。

正极上发生的反应为：LiCoO2==充电==Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子)
负极上发生的反应为：6C+XLi++Xe=====LixC6
3、放电过程
放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。

由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。

电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起，我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

4、摇椅式电池
不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→ 负极→ 正极的运动状态。

如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。

所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。

三、锂电池制作工艺流程
1、制浆
用专门的溶剂和粘结剂分别与粉末
状的正负极活性物质混合，经高速搅拌
均匀后，制成浆状的正负极物质。

2、涂膜
将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔
的表面，烘干，分别制成正负极极片。

3、装配
按正极片-隔膜-负极片自上而下的
顺序放好，经卷绕制成电池极芯，再经
注入电解液、封口等工艺过程，即完成
电池的装配过程，制成成品电池。

4、化成
用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都要进行检测，筛选出合格的成品电池，待出厂。

四、锂电池充电管理IC的充电状态
1、待机状态（Standby）
在如下几种情况下会进入待机状态：
A·输入电压低于电路最低工作电压；
B·电池电压充饱后；
C·利用外置开关强行关断IC，停止IC充电。

待机状态的电压电流特性：
充电IC无充电电压输出，IC输入电流在uA级，减少电路损耗。

2、预充状态（Precharge）
当检测到电池电压低于IC预充电压阈值时，此时将以最大充电电流的1/10电流为充电电流，将电池电压先充到预充电压阈值。

3、恒流充电状态（Constant Current）
当检测到电池电压已经大于预设电压阈值而小于最高电压4.2V（相对于单节锂电池）时，此时IC将以外挂电阻设定的最大充电电流给电池充电。

将电池电压充到等于最大充电电压（4.2V附近）时为止。

（预充电流和最大充电电流由IC外挂电阻设定）
恒流充电状态时需要注意的几个问题：
A·在此状态下，IC处于最大充电电流状态，此时的损耗也是最大的，现行降压的损耗公式=（Vin-V out）×Iout。

此时需要注意IC的最高工作温度。

B·因为最高充电电流造成温度的提高，IC会自动降低最大充电电流，这就是在过热时充电电流下降的原因。

4、恒压充电状态（Constant V oltage）
当检测到电池电压等于或者接近电池最高电压4.2V时，此时将会以恒定4.2V充电电压，且逐步降低充电电流的方式继续充电。

当检测到充电电流小于最大充电电流的1/10时，将会停止充电。

在此状态下需要注意的问题是：当电池充到最大电压时可以自动关断。

五、锂电池充电管理IC分类
1、按照充电电路结构可以分为：
（1）线性降压充电管理IC
线性降压部分基本功能类似于LDO的线性降压电路，最大可充电电流设定一般是通过恒流源外挂电阻的方式来设定，而且一般是内部集成功率器件。

（2）开关降压充电管理IC
开关降压电路的基本功能与BUCK降压电路一样，也分为同步降压和非同步降压，最大可充电电流设定一般通过串联在充电回路中的电路取样电压来决定。

2、锂电池开关式充电管理结构特点
（1）电路结构器件相对较多；
（2）成本相对较贵；
（3）电路结构效率高，可达到92%以上的充电效率；
（4）可充较大容量电池，一般最大充电电流在1A以上；
（5）器件发热比较均匀，不会出现单点过热现象。

五、锂电池充电管理IC bq24610/7
1、摘要
bq24610/7是一个高度集成的锂或锂聚合物开关模式电池充电控制器。

它有一个恒定频率同步开关PWM控制器，具有高精度充电电流和电压调整，预充电，终止，适配器电流调节和充电状态监控。

bq24610/7充电分为三个步骤：预充电、恒流充电和恒压充电。

当电压达到一个最低用户可选电平时，充电终止。

可编程充电计时器可提供一个安全备份。

如果电池电压低于内部阈值，bq24610/7自动重新开始一个充电周期，而且当输入电压低于电池电压时，它能进入一个低静态电流睡眠模式。

bq24610/7的外部控制开关能阻止电池倒灌到输入端，通过使用6V阈值的开关把适配器连接到系统，电池连接到系统，从而得到更高的系统效率。

bq24610/7具有动态电源管理（DPM）特性。

当达到输入功率极限时，这些特性减少充电电流，从而避免AC适配器因同时进行供电负载和电池充电引起的超负荷。

高精度电流感应放大器能精确地测量来自AC 适配器的输入电流，从而监控整个系统电源。

1、电池稳压
bq24610/7利用一个高精度电压基准和调整器来实现高充电电压精度。

充电电压通过一个电池到低的分压器来设置，其分压器中点接到VFB 管脚。

VFB 的电压调节到2.1V ，以下是调节电压的方程式：
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+⨯=1211.2R R V Vbat VFB 与电池之间接R2，VFB 与GND 之间接R1。

2、电池稳流
ISET1设置最大快速充电电流。

电池充电电流通过连接在SRP 和SRN 之间的电阻R SR 来检测。

SRP 和SRN 之间最大电压为100mV ，因此对于10m Ω检测电阻，最大充电电流是10A 。

充电电流方程式是：
Rsr
Viset e Ich ⨯=201arg V ISET1是输入ISET1电压范围是0V 到2V 。

SRP 和SRN 管脚是用于检测默认值10m Ω电阻的电压值。

无论如何，任何值的电阻也能够使用，电阻值越大，检测电压就越大，调节精度就越高，但传到损失就越高。

3、输入适配器稳流
通常，系统电流波动在系统开机或关机的环节，如果没有动态电源管理（DPM ），输入源必须能同时提供最大系统电流和最小系统电流。

通过利用DPM ，当输入电流超过由ACSET 设置限制的输入电流时，电池充电减小充电电流。

AC 适配器的电流容量可以降低，减少系统损耗。

类似设置电池稳流，适配器电流通过检查连接到ACP 和CAN 之间的电阻。

最大值通过设置ACSET ，方程式如下：
Rac
Vacset Idpm ⨯=20 Vacset ，输入电压范围0到2V ，ACP 和CAN 管脚用于检测默认值10m Ω电阻的电压。

无论如何，其他阻值也能够使用，电阻值越大，检测电压就越大，调节精度就越高，但传到损失就越高。

4、预充电
如果电池在上电时电压低于Vlowv 阈值，bq24610/7申请预充电电流到电池。

如果在初始预充电30分钟里还未达到Vlowv 阈值，充电将关闭，状态管脚将显示故障。

Rsr
Viset e Iprech ⨯=1002arg 5、充电终止，再充电，安全定时器
bq24610/7在电压调节相位期间监控充电电流。

当Vttc 有效时，充电终止同时VFB 电压高于Vrech 阈值，充电电流低于Iterm 阈值，就像如下公式计算：
Rsr
Viset Iterm ⨯=1002 ISET2的输入电压在0到2V 之间。

最小预充电/终止电流在默认10m Ω检测电阻下被固定在125mA 左右。

作为安全备份，bq24610/7也提供一个可编程充电定时器。

通过TTC 与GND 之间的电容来编程充电定时器，公式为：
Kttc Cttc e Tch ⨯=arg
Cttc 是TTC 管脚到GND 之间的电容，范围是0.01uF 到0.11uF 。

Kttc 是常量（5.6min/nF ）。

当以下其中一个条件发生时，初始化一个新的充电周期，复位安全定时器。

·电池电压低于再充电阈值；
·上电复位（POR ）发生；
·CE 切换。

TTC 管脚能被拉低来使终止和安全定时器无效。

如果TTC 上拉到VREF ，bq24610/7将继续允许终止，但使安全定时器无效。

TTC 拉低将复位安全定时器。

6、上电
由于VCC 既可以由电池供电，也可以由适配器供电，所以b q24610/7利用SLEEP 比较器来判断VCC 的电源。

如果VCC 电压大于SRN 电压，bq24610/7将使能ACFET ，使BATFET 无效。

如果所有其他条件都满足充电，bq24610/7会尝试给电池充电。

如果SRN 电压高于VCC ，则要求电池作为供电源，bq24610/7使能BA TFET ，进入一个最小电池漏电的低静电流睡眠模式。

如果VCC 低于UVLO 阈值，芯片无效，ACFET 关闭，BATFET 打开。

7、使能充电与否
在使能充电之前，以下条件必须有效：
·CE 高电平；
·芯片不在UVLO （Under-V oltage-Lockout ）或VCCLOWV 模式；
·芯片不处于SLEEP 模式；
·VCC 电压低于AC 过压阈值（VCC<Vacov ）；
·初始化上电之后延迟30ms ；
·REGN LDO 和VREF LDO 电压都在正确的电平值；
·热关闭（TSHUT ）无效；
·检测不到TS 有错；
以下其中一个条件发生将停止继续充电：
·CE 低电平；
·移走适配器，引发芯片进入UVLO,VCCLOWV 或SLEEP 模式；
·适配器过压；
·REGN 或VREF LDOs 过载；
·达到TSHUT 芯片温度阈值；（145℃）
·TS 电压超出范围表示电池温度太高或太低；
·TTC 安全定时器超时。

变换器操作
同步降压PWM 变换器利用一个具有前馈控制原理的固定频率电压模式。

Ⅲ型补偿网络允许在变换器的输出端接陶瓷电容。

在反馈输出端（FBO ）与误差放大器输入端（EAI ）之间内部连接补偿输入级。

在误差放大器输入端（EAI ）与误差放大器输出端（EAO ）之间连接反馈补偿级。

选择LC 输出滤波器来产生12KHz-17KHz 的共振频率，共振频率fo 公式： LoCo fo π21
=
比较内部锯齿斜波和内部EAO 误差控制信号来改变变换器的占空比。

斜波高度是适配器电压输入的7%。

当确保N 通道上的芯片一直有足够的电压，内部门驱动逻辑允许达到99.5%占空比。

如果BTST 到PH 电压低于4.2V 不止3个周期，然后高边N 通道电源MOSFET 将关闭，低边N 通道电源MOSFET 打开，来下拉PH 节点和重新给BTST 电容充电。

接着高边驱动恢复到100%占空比操作，直到检测电压（BTST-PH ）再次由于漏电未充电BTST 电容低于4.2V 而下降，然后复位脉冲重新发出。

在所有输入电压、电池电压、充电电流和温度条件下，固定频率振荡器保持开关频率的严格控制，简化输出滤波设计和保持它在可听噪音区域范围外。