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[资料分享] BQ24610的智能锂电池充电系统

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发表于 2020-5-12 07:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

BQ24610是TI公司推出的一款比较先进的,面向5V至28V电压输入的锂离子电池供电应用开关模式独立电池充电器IC.基于便携式分子筛制氧机的电源管理的设计需求,经过对一系列芯片原理、性能、参数设置的分析讨论,最后我们选用BQ24610芯片作为该电源管理部分的主控制芯片,结合部分外围电路,实现该设计的电源的自动选择、内部回路补偿、内部软启动、动态电源管理(DPM)、精确的充电电流与电压调节、预充电、充电终止、适配器电流调节以及充电状态监控等功能。最后把该设计制成实验板,经过反复调试,测试结果实现了预期性能指标。

1.概述

随着移动电话、笔记本电脑、平板电脑等众多便携式电子设备的迅速普及应用,与之配套的小型锂离子电池、锂聚合物电池等二次电池的生产及需求量与日俱增,特别是锂离子电池体积小、重量轻;循环寿命长、充电可达几百次甚至上千次;自放电率低等优点广泛应用于可移动便携式电子产品中。因此,设计一套高精度锂离子充电管理系统对于锂离子电池应用是至关重要的,严格防止在电池的使用中出现过充电、过放电等现象。

目前比较成熟的锂电池充电管理方案就是基于笔记本电脑的方案,该类电源管理方案已经接近成熟,但是往往成本较高,不太符合应用于便携式分子筛制氧机设计中。结合成本与性能的考虑,最后我们选择BQ24610芯片作为主芯片,结合外围电路,来设计便携式分子筛制氧机电源管理模块。

BQ24610是TI公司生产,可以实现5V-28V锂电池充电管理。充电控制器与传统的控制器相比较,效率更高,散热更少;充电电压及电流的准确度接近百分之百,有助于延长电池使用寿命;集成型独立解决方案可提高设计灵活性,缩小整体解决方案尺寸,更有利于广泛应用于便携式设备中;动态电源管理可在电池充电时仍可为系统供电,最大限度地提高适配器功率[3].本文就通过在实际中的探索,对电池充电控制器和选择器芯片BQ24610的基本性能、工作原理、参数设置及应用中出现的问题进行了分析,给出了相应的典型应用电路设计。

2.BQ24610功能及特性

2.1 引脚介绍

ACN(引脚1):适配器电流误差放大器负输入。ACP (引脚2):适配器电流误差放大器正输入。ACDRV (引脚3):AC或适配器电源选择输出。CE(引脚4):充电使能,逻辑高电平输入。高电平充电时能,低电平停止充电,它有一个1MΩ内部下拉电阻。STAT1(引脚5):漏极开路充电状态指示按钮,指示各种充电操作。

TS(引脚6):电池组温度CP系数检测。TTC(引脚7):安全时间和终止控制。(引脚8):开漏输出状态良好指示。STAT2(引脚9):漏极开路充电状态指示按钮,指示各种充电操作。

VREF(引脚10):3.3V参考电压输出。ISET1(引脚11):快速充电电流输入设置。VFB(引脚12):输出电压模拟反馈调整。SRN(引脚13):

电池电流误差放大器负输入。SRP(引脚14):

电池电流误差放大器正输入。I S E T 2 (引脚15):预充电和终止当前输入设置。ACSET(引脚16):适配器当前输入设置。BATDRV (引脚23):电池和系统之间的MOSFET驱动输出。

 

2.2 工作原理

BQ24610充电电路工作原理如图2所示,该充电电路基本工作原理可分为预充、快充和终止阶段。

image-20200512075644-1.png

当接通电源,如果VBAT<VLOWV引脚的电压,BQ24610控制电池进入快速充电阶段,预充电是为了激活正常的电池功能,预充电电流的大小约为充电电流的1/6,如果VLOW在30分钟内没有达到启动预充电的值,充电关闭,status引脚显示充电出错。

image-20200512075749-2.png

快充分恒流充电和恒压充电两个阶段,在该充电阶段,恒流充电电流不变,电压持续上升,当电压达到调节电压时,充电进入恒压充电阶段。在恒压阶段,充电电流逐渐减小,BQ24610负责管理充电电流。在VTT有效情况下,如果VVFB>VRECH,并且ICHARGE<ITERM,检测到充电终止。

BQ24610能够自动选择适配器或者电池给负载供电,当处于上电状态或者睡眠模式的时候,电池连到负载。当电池跳出睡眠模式30ms,电池自动与负载断开,适配器与电池相连。一个自动闭合逻辑防止转换器转换的时候电流击穿。每次确保输出电容或者电源转换器没有充或击穿之后,进入快速充电模式,充电器自动软启动充电器调节电流。

3.便携式制氧机中的锂离子电池充电管理系统的设计与应用

依据参数要求,我们结合BQ24610的特性设计了一套适合四节锂离子电池的充放电系统,电路图如图3所示。该系统是给便携式分子筛制氧机供电,实现了以下设计:

image-20200512075822-3.png

图3 锂离子电池的充放电电路

3.1 适配器或电池供电的设计

主要通过两个P沟道的MOSFET实现。BQ24610能够自动控制实现适配器或者电池给负载供电,当系统启动或者进入睡眠模式时,电池默认与系统连接,当退出休眠模式30ms,电池自动与系统断开,适配器与系统连接。每次进入快速充电,当确定没有过充、输出电容和电源转换器没有过压现象时,系统自动软启动充电电流管理。当CE引脚的状态指示灯亮表明系统进入充电使能状态。

3.2 锂电池的电量检测与充电指示设计

通过分压法采集电池电量AD信号,通过I/O口传输给单片机,单片机对信号进行处理做出反应。电池充电状态的显示是通过两个LED灯(STAT1、STAT2),实现充电与充电完成状态显示。当SRN与SRP之间的电压低于5mv时,芯片自动控制进入周期循环充电潜流保护,这能够阻止引起提振效应的负面感应电流。提振效应能够随着电池到输入电容的输入电压增大,导致VCC引脚过压,引起系统损坏。输入过压和低压保护,能够有效的预防过压或低压对系统造成的损坏。电池的过压保护,充电电流过流保护,热关机保护等一系列的保护措施能够大大提高系统的安全性。

3.3 系统电压低于12V时系统自动关机的设计

通过一个含有最大限制电压是30V的P沟道MOSFET和一个分流基准源实现,在此部分电路中电阻R43,R44需要满足12*R44/(R43+R44)=2.5,经计算取R43=38K,R44=10K3.4 系统按键开关的设计

含有按键开关的S1部分能够实现该功能,主要原理如下:按钮按下前,VT2的GS电压(即C1电压)为零,VT2截止,V1的GS电压为零,V1截止无输出;当按下S1,C1充电,VT GS电压上升至约3V时VT2导通,并迅速饱和,V1 GS电压小于-4V,V1饱和导通,VOUT有输出,发光管亮,C1通过R6、R12继续充电,V1、VT2状态被锁定;当再次按下按钮时,由于VT2处于饱和导通状态,漏极电压约为0VC1通过R3放电,方至约3V时,VT2截止,V1栅源电压大于-4V,V1截止,VOUT无输出,发光管灭,C1通过R6、R12及外电路继续放电,V1、VT2维持截止状。

3.5 电流电压参数的设计

3.5.1 预充电电流设计

电池的预充电电流IPRECHARGE由引脚ISET2的电压确定,大小为充电电流的1/6.

image-20200512075846-4.png

根据公式(1)电池预充电电流为0.6A.

3.5.2 适配器电流设计

与电池的电流大小类似,通过ACSET引脚的输入来设置适配器的电流,适配器电流大小是由连接ACP引脚与ACN引脚的电阻RAC决定。

image-20200512075902-5.png

VACSE,是ACSET引脚的输入电压,范围在(0-2)V之间。VISET1=2V,RSR=30mΩ,根据公式(2),充电电流设定为3.1A.

3.5.3 充电电压设计

电池充电调整电压VBAT通过电池和地之间的电阻进行设定,从中间部分与VFB引脚相连。

image-20200512075916-6.png

R2在VFB和电池之间,R1在电池和地之间。

取R1=4K,R2=28K,根据公式(3),该系统中充电电压设定为16.8V.

3.5.4 充电电流的设计

通过ISET1引脚的输入来设置最大的快速充电电流,电池的充电电流由SRP、SRN之间的电阻RSR决定。

image-20200512075930-7.png

VISET1,是ISET1引脚的输入电压,范围在(0-2)V之间。VACSETT=2V,RAC=25mΩ,根据公式(4),适配器电流设定为3.9A.

4.结论

通过试验结果分析,充电电压在16.5V左右浮动,准确度超过95%,充电电流在3.1A左右浮动,准确度超过99%.系统的输入过压过流保护、电池的过压、过流保护,高温保护准确度达到了99%.经过多次试验该电路能其要求的功能。

本文系统地分析了锂离子电池充电控制集成电路芯片应用中常用到的技术问题,并给出了在便携式制氧机中的典型应用实例。根据系统对电池的应用需求,通过合理设置BQ24610的外部元件参数,就可构成一个功能完备的锂离子电池充电器。该设计能够很好的实现系统锂离子电池充电器的功能,可作为有关设计人员对电池充电器进一步开发的参考。该类集成芯片系列较多,但在使用方法上存在许多类似之处,这使得本文的分析讨论在实际应用中具有重要的实用价值和参考价值,为电池充电电路设计者提供了有用的参考,同时也可为其他电子元件的应用提供参考。(作者:刘晓梅,刘丹丹,魏立峰,王庆辉)



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