电池充电器简介

2021-08-26

电池充电器简介

首先，我回顾了 Microchip MCP73831，它使用简单，而且是一块很好的电池。接下来，我将回顾德州仪器BQ24092，这是一款稍微先进的电池充电器。

最后，我们将看看一个明显更复杂的电池充电器，德州仪器 BQ24703。

前两个充电器（MCP73831 和 BQ24092）都是线性充电器，而 BQ24703 是开关模式降压充电器。

MCP73831

我要回顾的第一个电池充电器是 Microchip MCP73831。该电池充电器旨在为单节电池充电，适用于锂离子或锂聚合物电池。

图 1——使用 MCP73831 的典型应用的原理图。

单节锂电池输出约3.6V。所以如果你看到额定输出电压为7.2V的锂电池，那么它就是由两节电池串联而成。如果电池电压为 14.4 V，则为 4 芯电池组。

为了给多节电池组充电，您必须有一个大于电池充电电压的输入电源电压，或者您需要一个能够产生高于输入电源的充电电压的开关模式升压充电器。

锂电池充电的三个阶段

锂电池充电分为三个阶段：预充电阶段、快速充电阶段和充电终止阶段。

在预充电或快速充电时，充电器会调节进入电池的电流量。但在充电终止期间，充电器会调节流入电池的电压，同时测量流入电池的电流。

图 2 – 可充电锂电池的充电阶段（图表来自德州仪器 BQ24092 数据表）

1 – 预充电阶段

第一阶段是预充电阶段，也称为涓流阶段。在此阶段，电池充电器仅向电池发送少量电流（涓流充电）。如果检测到电池，充电器将开始充电过程。

涓流充电是完全充电电流的一小部分。此阶段的目标是将电池充电到某个点，以便在后续阶段快速充电（见下文）。

当电池高度放电且电压低于特定阈值时，充电器会自动进入预充电阶段。

一旦开始预充电，充电器就会监控电池电压，直到达到预充电电压阈值。

预充电电压阈值是您负责编程的最大充电电流的预定义百分比。

一旦电池电压超过预充电电压阈值，电池充电器进入快速充电阶段。

2 – 快速充电阶段

快速充电阶段，也称为恒流阶段，调节进入电池的电流量。

预充电和快速充电电流均由 MCP73831 的 PROG 引脚上的单个电阻器设置。

恒流用于给电池充电，根据您选择的最大充电电流进行调节。

对于 MCP73831，最大充电电流是通过在编程引脚和地之间连接一个电阻来设置的（见图 1）。您可以选择从 15 mA 一直到 500 mA 的充电电流。

一旦电池在这个快速充电阶段接近充电，它就会切换到充电终止阶段。

3 – 充电终止阶段

充电的最后阶段称为充电终止阶段或恒压阶段。在此阶段，电池充电器切换到电压控制模式，在此模式下，它会调节流入电池的电压而不是电流。

虽然电池的电压是被调节的，但充电器通过测量充电电流来监控充电过程。

一旦电压控制模式下的充电电流降至编程电流的预定百分比以下，充电器就会知道电池已充满电，充电过程将终止。

充电周期完成后，电池充电器将继续监测电池电压。如果电池电压低于预设的再充电阈值，充电器将启动新的充电周期，整个过程重复。

您会注意到图 2 中的图表还有一个称为热调节的第四阶段。然而，只有在功耗足够高以至于充电器的内部温度超过 125C 时，这个阶段才会发挥作用。

如果系统设计为充电器永远不会达到此温度，则不会进入热调节阶段。我在下面的功耗部分更详细地讨论了这一点。

设置快速充电电流

MCP73831 的快速充电电流由放置在编程引脚（PROG）上的电阻器设置为接地。快速充电电流由以下公式计算：

充电电流 = 1,000 / 电阻（公式 1）

例如，如果电阻器是 2,000 欧姆的电阻器，则快速充电电流将计算为：

充电电流 = 1,000 / 2,000 = 0.5 A = 500 mA（公式 2）

请注意，500mA 是此充电器的最大充电电流。如果改用 4,000 欧姆电阻，则最大充电电流仅为 250 mA。

准确的快速充电电流设置将取决于电池容量和外部电压源可提供的最大电流。

给锂电池充电时，最大充电速率通常应为 1 C，这意味着：

充电电流 = 1 x 电池容量（公式 3）

例如，如果您有 500 mAh 的电池，则 1 C 的充电速率为 500 mA。如果您有 150 mAh 电池，则 1 C 充电速率将为 150 mA。

锂电池的绝对最大充电电流通常为 2 C。因此，如果您有 150 mAh 电池，那么绝对最大充电电流将为 300 mAh。

虽然某些电池有可能达到如此高的充电率，但您通常希望坚持 1 C 的充电率，除非电池指定可以以更高的充电率充电。

您还需要考虑外部电源可以提供的最大电流。您需要设计系统，使输入电流永远不会超过外部电源的最大额定电流。

对于线性充电器，来自外部电源的输入电流基本上等于快速充电电流设置。

然而，对于开关稳压器，输入电源电流与进入电池的快速充电电流有很大不同。

对于降压充电器，输入电流将小于电池电流，但对于升压充电器，它将高于电池电流。

功耗

在使用电池充电器时，务必牢记功耗，尤其是像 MCP73831 这样的线性充电器。线性充电器在某些情况下效率不高，充电器不会过热至关重要。否则，充电电流将自动降低到所需水平以下，以防止温度超过最大值。

线性充电器（或线性稳压器）的功耗基于以下因素确定：

负载电流量

从输入到输出的电压差

负载电流或电压差越高，功率越高（记住：功率 = 电压 x 电流）。

从预充电阶段过渡到快速充电阶段时，通常会出现最大功耗和过热的可能性。

此时，电池电压处于最低点，因此充电器两端的电压差最大，并且在快速充电模式下电流也最大。这是电压差和负载电流都达到最大值的点。

当从预充电过渡到快速充电时，MCP738 可提供不同的电池电压阈值设置点。例如，假设该阈值为 70%。这意味着当电池电压达到稳压输出电压的 70% 时，充电器将切换到快速充电模式。

对于3.6V的锂电池，恒压模式下的稳压充电电压为4.2V，其中70%约为3V，因此电池在从预充到快充过渡时会处于3V。

请注意，MCP73831 提供 4 种不同的稳压充电电压：4.2 V、4.35 V、4.4 V 和 4.5 V。

假设我们从 USB 端口充电，该端口提供 5 V 的电压。因此，在快速充电阶段开始时，输入端为 5 V，输出端为 3 V。这相当于 2 V 差分。

如果快速充电电流设置为 500mA，则充电器在此转换时将消耗 1 W 的功率。

您可以查阅充电器的数据表以确定 Theta-JA 额定值。这通常列在“热特性”或“温度规格”下。Theta-JA 将以 C/watt 报告。

图 3——MCP73831 数据表中的热规格。

要确定您的充电器会发热多少，请使用以下公式：

温度增益 = 耗散瓦数 x Theta-JA       （公式 4）

该等式告诉您组件将加热到高于环境空气温度的程度。要获得绝对温度，您仍必须将环境空气温度添加到等式 4 中。

例如，如果计算温度增益为 50 C，而环境空气温度为 40 C，则组件将处于 90 C。

大多数电子元件的额定温度最高为 125 C。始终避免超过此温度，否则充电器会根据需要降低充电电流，以将温度保持在 125 C 以下。

封装类型：SOT 23 与 DFN

MCP738 有两种封装，包括有铅 SOT-23 封装和无铅 DFN 封装。DFN 的热特性明显优于 SOT-23。

图 4——MCP73831 的两种可用封装。

SOT-23： SOT-23 的 Theta-JA 额定值为 230 C/watt。因此，如果充电器消耗 1 瓦的功率，它会升温 230 C。如果您假设您处于室温 (25 C)，充电器实际上会加热到 255 C。

这肯定会触发热调节阶段，从而降低充电电流以确保充电器温度保持在 125C 以下。SOT-23 封装只应选择用于低功率应用。

东风网。另一方面，DFN 封装的 Theta-JA 仅为 76 C。因此，对于每 1 瓦功率，产品只会加热 76 C。同样，假设您处于室温，产品是将加热到 101 C。这低于 125 C 阈值，比 SOT-23 好得多。

因此对于具有高功耗要求的应用，DFN 封装是最佳选择。

选择线性充电器以满足所需功率要求的关键标准包括封装（考虑 Theta-JA 规范）、耗散的功率以及产品将在其中运行的最高环境温度。

使用开关充电器，过热不再是一个问题，因为它们往往更节能，而且通常不会耗散大量功率。

保护您的电池

您可能知道也可能不知道，锂电池的挥发性很强。如果您对它们充电过多或短路，它们可能会着火或爆炸。

你们都可能听说过三星 Galaxy 手机不断着火。出于这个原因，在使用这些电池时要考虑保护非常重要。

图 5 – 如果没有适当的保护，可充电锂电池可能会着火或爆炸。

在保护方面，您可以采取两种选择：

选项 1：选择具有内置保护功能的电池。我几乎总是建议您使用内置保护功能的电池，至少在最初是这样。

例如，如果您看一下锂聚合物电池，它们中的许多都会在一些胶带（通常是金色）下面有一个微型电路板，该胶带位于引线出来的顶部。

那个电路板已经内置了，它是保护电池的东西。它可以防止过度充电或短路。

图 6 – 我建议您最初坚持使用已经内置必要保护 PCB 的锂电池。

选项#2：自己设计保护措施。您可以将保护单独设计为您自己产品的一部分或在您自己的电路板上。但是，我通常不建议一开始这样做。

如果您的电路工作不正常，当您试图让电路工作时，您就有电池爆炸的风险。

我几乎总是建议坚持使用内置了这种保护的电池。这样你就不必担心了。

MCP73831 摘要：

最大充电电流限制为 500 mA

仅限单节充电器

线性充电器（相对于开关模式充电器）

总共只有五个引脚

单状态输出引脚

用于设置各种充电电流的单引脚

无法监控电池温度

德州仪器 BQ24092

与MCP73831类似，BQ24092是一款用于为单个锂电池充电的线性电池充电器。MCP73831 只有 5 个有源引脚，而 BQ24092 有 9 个有源引脚。

额外的引脚之一允许您独立编程预充电和充电终止电流与快速充电电流分开。

另一个附加引脚提供状态输出，指示存在足够的输入电源电压。另一个管脚监控电池温度，最后一个额外的管脚是 USB 应用的充电电流覆盖功能。

我们很快就会更深入地研究所有这些额外的引脚。

图 7 – Texas Instruments BQ24092 电池充电器的典型应用图。

更高的快速充电电流

BQ24092 和 MCP73831 之间的一大差异是最大充电电流。使用 MCP73831，您可以将快速充电电流设置为 15 mA 至 500 mA。

使用 BQ24092，您可以在 10 mA 和 1,000 mA 之间设置充电电流。充电电流通过连接到 ISET 引脚的电阻设置。

由于 BQ24092 具有更高的最大充电电流，因此在为较大的电池充电时使用尤其有利。

如前所述，您通常希望以 1 C 的速率为锂电池充电。

例如，如果您有一个 500 毫安时的电池，您希望以 500 毫安的最大充电电流为其充电。另一方面，如果您有 1000 毫安时的电池，那么您希望以 1000 毫安的最大电流为其充电。

如果您使用低于 1C 的充电电流，充电过程将花费不必要的长时间。由于我们都希望设备能够尽快充电，因此您通常希望以电池允许的最大速率充电。

如果您使用的是 500 mAh 电池，那么与 MCP73831 相比，使用 BQ24092 不会有太大的好处。但是，如果您拥有 1,000mAh 的电池，那么 BQ24092 的充电速度是 Microchip 电池充电器的两倍。

预充电和充电终止电流

为了快速查看，您通常需要为电池充电器编程三种不同的充电电流水平：

预充电电流。这也称为预处理充电电流或涓流充电电流。如果电池高度放电，它是一种低电流，可以对电池进行预充电。您不能（或不应该）立即开始对电量耗尽的锂电池进行快速充电。将此预处理阶段视为类似于在寒冷的冬日驾驶汽车之前预热汽车的发动机。

快速充电电流。一旦电池达到一定的充电水平，通常约为完全充电的 10%，然后充电将转换为快速充电模式。这是充电电流最大的时候。

终止电流。充电器输出稳压电压并监控流入电池的充电电流。一旦充电电流低于某个阈值（称为终止阈值），则认为电池已充满电，充电过程停止。

MCP73831 使用单个电阻器来设置预充电电流、快速充电电流和充电终止电流。

这可能会有些限制，因此 BQ24092 提供了两个单独的引脚用于对充电电流进行编程。一个引脚设置快速充电电流，另一个引脚设置预充电和充电终止电流。

USB充电电流覆盖功能

BQ24092 还具有一个称为 ISET2 的特殊输入引脚，允许您针对基于 USB 的充电应用覆盖已编程的充电电流。

当 ISET2 引脚为高电平时，充电电流设置为 500 mA。当此引脚悬空时，充电电流降至仅 100 mA。当 ISET2 引脚被拉低时，使用编程的充电电流。

计算机上的 USB 端口（在 USB 行话中称为标准下游端口或 SDP）最多可以提供 500 mA 的电流。

在最初的 USB 规范中，设备必须向主机请求许可（通过称为枚举的过程）才能提取 500 mA。如果没有列举，最大允许电流仅为 100 mA。

许多设备（尤其是电池没电的设备）没有发现 100 mA 甚至不足以启动枚举过程。因此，USB 规范在 2013 年进行了更新，以允许高达 500 mA 的电流而无需枚举。

BQ24092 在 USB 规范更新之前发布，因此它为 USB 功能提供 100 mA 设置，即使该电流水平不再用于 USB。

电源良好引脚

MCP73831 和 BQ24092 都有一个引脚，可点亮 LED 以指示充电正在进行中。该引脚还可以用作馈入微控制器的输出引脚，允许微控制器监控充电过程。

在 MCP73831 充电器上，此引脚称为 STAT 引脚，而在 BQ24092 上称为 CHG 引脚。

然而，与 MCP73831 不同的是，BQ24092 也有一个电源良好引脚（PG）。该引脚指示（通过 LED 或 I/O 引脚连接到微控制器）为充电器供电的电源高于指定的可接受电压阈值。

PG 功能是有益的，因为如果没有合适的输入电压供应，许多组件将出现错误行为。

电池温度感应

与 MCP73831 相比，BQ24092 的另一个重要优势是它包含一个温度检测引脚。这允许充电器监控电池温度，并根据需要调整充电电流以防止电池过热。

有四个电池温度阈值：60°C、45°C、10°C 和 0°C。正常充电发生在 10°C 和 45°C 之间。

如果电池温度在 0°C 到 10°C 之间，则快速充电电流减少一半。如果温度在 45°C 和 60°C 之间，最大调节电压会降低到 4.1 V。如果电池温度高于 60°C 或低于 0°C，则充电器被禁用。

德州仪器 BQ24703

我特别兴奋地回顾 BQ4703 电池充电器，因为这恰好是我多年前在德州仪器担任设计工程师时为德州仪器设计的充电器。

这个电池充电器比我们看到的前两个要复杂得多，但本文将一步一步地介绍它。

我们将首先考虑将这款充电器与前两款充电器区别开来的一些主要因素。然后，我们将回顾典型的应用示意图。

开关稳压器

与相对不太复杂的 MCP73831 和 BQ24092 相比，BQ24703 具有许多附加功能。然而，使这款充电器与众不同的第一件事是它是一个开关充电器。

正如我所提到的，线性充电器（如 MCP73831 和 BQ24092）会浪费大量功率，尤其是在输入电压远高于输出电压的情况下。

这种浪费的功率会以热量的形式消散。如果温度过高，充电器会被迫降低充电电流，以防止充电器过热。发生这种情况时，电池将需要更长的时间来充电。

与线性稳压器一样，当输入电压明显高于输出电压时，线性充电器会浪费更多功率。

旁注：线性充电器实际上只是一个具有调节电压或电流能力（取决于充电阶段）的线性稳压器，因此许多相同的基本概念适用于两者。开关模式稳压器和开关模式充电器也是如此。

有两种类型的开关充电器，降压型和升压型（就像开关稳压器一样）。

降压稳压器采用较高的电压并将其降压至较低的电压，而升压型稳压器采用较低的电压并将其升至较高的电压。

BQ24703 是一款降压开关模式充电器。因此，输入电压需要高于它试图充电的电池电压。当您的输入电压和输出电压之间存在较大的电压差时，这种类型的充电器与线性充电器相比尤其有益。

例如，假设您的输入电源为 12 V，但您的电池仅为 3.7 V 锂电池。在此应用中，像 BQ24703 这样的降压开关充电器浪费的功率要比线性充电器少得多。

它还可以更快地为电池充电，因为它将能够保持快速充电模式并使用指定的最大电流为电池充电，因为它不会进入热调节模式。

另一方面，如果输入电压仅为 5V（例如使用 USB 充电器），那么线性充电器可能更有意义。线性充电器不那么复杂，需要的组件更少，而且更便宜，因此只有在真正需要时才使用开关模式充电器。

多节充电器

多节电池充电器允许您将多节电池串联起来以获得更高的输出电压。

例如，多节电池充电器不仅可以使用单个 3.7 V 电池，还可以将两个 3.7 V 电池堆叠起来，以创建一个 7.4 V 双节电池。您甚至可以堆叠三个电池以获得 11.1 V，依此类推。

图 8 – 输出电压为 7.4 V 的两节锂聚合物电池组。

使用线性充电器或降压开关充电器为多个电池充电时，输入电压必须高于您尝试充电的电池电压。

解决此限制的方法是使用升压开关充电器，它可以采用较小的输入电压并将其升压到更高的输出电压。例如，这意味着使用升压充电器，您可以使用 5V 电源为 2 节电池组 (Vbat = 7.2 V) 充电。

动态电源管理

BQ24703 的另一个关键特性称为动态电源管理 (DPM)。这意味着充电器可以根据可用电流量动态改变电池充电电流。

例如，假设您的 AC 适配器可以提供的最大电流为 1 A，并且您的系统在您尝试为电池充电的同时吸收 400 mA 的电流。然后 BQ24703 会自动将电池充电电流设置为 600 mA。

IBAT = IADPT – ISYS

IBAT = 电池充电电流，IADPT = 墙上适配器电流，ISYS = 系统电流。

在同一个示例中，如果系统其余部分所需的电流突然减少到仅 200 mA，则 DPM 功能将分配高达 800 mA 的电流来为电池充电。当然，只有将快速充电设置为 800 mA 或更高时才会发生这种情况。

DPM 允许电池始终以最大可用电流充电。系统使用的电流越小，充电器分配给电池充电的电流就越大。

系统选择开关

除了动态电源管理，BQ24703 还集成了一个系统选择器开关。

这允许您手动或自动切换系统由交流适配器或电池供电。

例如，当您使用 AC 适配器为您的产品供电时，如果您突然拔掉它，那么 BQ24703 会自动将系统切换为由电池供电。

然后，如果您将其重新插入交流电源插座，您还可以将其设置为切换回交流电源。

该功能通过两个由 BQ24703 控制的外部 MOSFET 开关实现。

示意图审查

接下来，我们将查看 BQ24703 数据表中的典型应用原理图，以进一步深入研究该充电器。

请参阅数据表第 10 页上的典型应用图，下面的图 9 也显示了该图。

图 9 – Texas Instruments BQ24703 电池充电器的典型应用图。

MOSFET：有几种不同的 MOSFET，包括 U1、U2 和 U3。所有这些都是 P-MOSFET。请注意，U1 未在图中标记，而是位于上述原理图的右下角。

U1 和 U2 执行系统选择器功能。当 U1 开启时，系统由电池供电，而当 U2 开启时，系统直接由交流适配器供电。

U1 由 BATDRV 引脚驱动，U2 由 BQ24703 上的 ACDRV 引脚驱动。

这些开关称为先断后合，这意味着一个开关在另一个开关打开之前关闭。这可确保两个开关永远不会同时打开，这会导致 AC 适配器电压直接与电池短路。

降压开关稳压器：标记为 U3 的 MOSFET 与二极管 D4 和电感器 L1 一起构成了降压开关模式充电器的核心电路。U3 的栅极由 BQ24703 通过 PWM 引脚控制。

AC 适配器电流 (ACP/ACN)：从 AC 适配器输入端断开的是电阻器 R14，它是一个检测电阻器。BQ24703 测量该电阻器上的压降以确定交流适配器电流。R13、R15 和 C3 都构成一个低通滤波器，因此可以从适配器电流检测电压中去除任何开关噪声。

这一切都允许充电器测量从交流适配器拉出的电流。这很重要，以便充电器知道如何动态管理功率 (DPM)，以及有多少电流可用于为电池充电。

ACDET 引脚：还有一个 AC 检测引脚，用作 AC 适配器检测。这只是一个通过电阻分压器连接到交流适配器电压的引脚。它允许充电器知道交流适配器是否存在。

如果您直接从 AC 适配器为系统供电并突然拔掉它，充电器会检测到它已被拔掉，并自动切换到从电池为系统供电。

IBAT 引脚： IBAT 引脚输出与电池充电电流成正比的电压。您可以将其输入到微控制器中的模数转换器 (ADC) 中，以监控为电池充电的电流。

VREF 引脚。VREF 引脚输出稳定的 5V，可用作任何电阻分压器设置点或任何开漏输出上的上拉电阻的准确参考电压。

ACSEL： AC 选择引脚允许您手动选择是由 AC 适配器还是电池为系统供电。

ALARM：如果检测到电池电量耗尽，则会生成警报条件。

ACPRES： AC 存在引脚是一个输出，它告诉您 AC 适配器是否存在。

SRSET 和 ACSET：这是您通过设置适配器电流和电池充电电流的电阻分压器设置的两个电压。

VS：该引脚监控系统电压，以实现我在系统选择器功能中提到的先断后合功能。

BATP：此引脚通过电阻分压器监控电池上的输出电压。这形成了调节充电器输出电压的反馈回路。

BATDEP：此引脚连接到另一个用于电池电压的电阻分压器。用于设置电池电压低于某个电压（由分压器中电阻的比率设置）时发出警报。

COMP：如果反馈为正，任何具有反馈回路的电路都有可能成为振荡器。连接到该引脚的 RC 网络有助于补偿该反馈环路，以防止意外振荡。

SRP/SRN：这两个引脚连接在一个检测电阻上，用于测量电池充电电流。与交流适配器检测电阻器一样，有一个低通滤波器（R19、R21 和 C8）可滤除任何开关噪声。

VHSP：这是一个内部电压电源引脚，它产生的电压比交流适配器电压低一个固定的伏特数。然后，该电压用于驱动具有固定栅极电压的 P-FET。

如果 AC 适配器电压高于 10.5 V，则 VHSP 将等于适配器电压减去 10 V。例如，如果适配器电压为 12 V，则 VHSP 将为 2 V。这样做是为了确保 FET 不接收栅极驱动电压高于它们的承受能力。