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基于USB连接器接口的锂电子电池充电电路方案

  • 发布日期:18-08-17 17:28
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  1 锂离子电池及USB接口概述
  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。
 
  USB接口是英文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USB接口应能提供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,这使得充电电路的压降变得极为重要,是设计的难点。
 
USB连接器接口介绍
  2 基于PC机USB接口充电电路设计方案
  2.1方案一
  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。
 
  2.2方案二
  由MAX1551/1555构成的一种实用USB锂电池充电电路。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。
 
  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。
 
  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)。
 
  2.3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。另一个实用USB接口充电电路,使用LTC4053作为设计核心,既保持了方案二的优点又解决了上述不足。
 
  LTC4053是凌特(Linear)公司推出的一款可以从一个USB接口直接供电的锂离子电池用独立型定时终止恒流/恒压线性充电器IC,为10 脚MSOP封装。可以直接由USB接口对单节锂电池进行充电,也可以允许使用墙壁AC适配器的DC电源作为供电电源。所需的输入电压范围是 4.25V~6.5V.包括一个片内功率MOSFET管。这个芯片的最大特点是允许设计者自行设定充电电流和充电时间,充电终止电压则已预设为4.2V。
 
  充电电流是由LTC4053的PROG(7)引脚上的电阻R来设定的,其计算公式为:R=1500V/ICHG,例如要设定的充电电流为 500mA,则R=1500V/015A=3kΩ。充电电流最大可设为1125A。
 
  LTC4053的TIMER(4)引脚上的电容C用于设定充电时间,计算公式为:T(小时)=C(uF)?3/011uF.当C=011uF时,充电时间为3小时。
 
  这个电路具有类似方案二预充电模式的涓流充电模式,并特有故障电池检测功能:当电池电压低于2.48V时,以全标度电流的10%涓流充电;如果这种状态持续的时间超过总充电时间的四分之一,则认为电池已损坏而停止充电循环。
 
  LTC4053本身具有完善的温度检测和补偿、调整功能,可以允许用户安全地以较大电流充电从而大大减少充电时间。同样,当LTC4053无电压输入时,电路能自动截止,反向漏电流小于5uA,无需外加二极管来防止电池漏电,避免了电池的损耗。
 
USB连接器接口在锂电子电池上的应用
  3 结语
  毫无疑问,在这三个方案中,第三个方案的功能是最完善,其设计应用的灵活性也最大的,但芯片的引脚较多,器件成本可能也比别的方案要高些。在实际中,我们可以根据用途、成本等实际情况来选择不同的方案以满足不同的要求。随着集成电路技术的发展、新器件的不断推出,我们相信会有更多更好的USB充电方案出现。
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