劉耀義

摘 要：鋰離子電池是當(dāng)前手機(jī)電池的首選，但由于其相對(duì)脆弱的特性，使其對(duì)充電電路的要求較高。本文分析了手機(jī)鋰離子電池參數(shù)的選擇，對(duì)鋰離子電池出廠時(shí)電量的設(shè)置進(jìn)行了介紹，并分析介紹了手機(jī)鋰離子電池的充電電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)方案具有良好的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：手機(jī)；鋰離子電池；充電電路

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，便捷式應(yīng)用也取得了迅速的發(fā)展，并得到了普及，這對(duì)電池的性能也提出了更高的要求。在可充電電池中，鋰離子電池以其能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、放電電壓高以及無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)成為了手機(jī)電池的首選。然而，由于過充電和高溫會(huì)對(duì)鋰離子電池造成極大的損壞。因此，研究鋰離子電池充電電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電池參數(shù)選擇

1.1 電池參數(shù)

鋰離子電池目前有液態(tài)鋰離子電池（LIB）和聚合物鋰離子電池（PLB）兩類。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物-鈷酸鋰、錳酸鋰，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物。鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)，是21世紀(jì)發(fā)展的理想能源載體。

1992年Sony成功開發(fā)出鋰離子電池。它的實(shí)用化，使人們的移動(dòng)電話、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備重量和體積大大減小，使用時(shí)間大大延長(zhǎng)。由于鋰離子電池中不含有重金屬鎘，與鎳鎘電池相比，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。合理的鋰離子電池選擇，對(duì)便攜式電子設(shè)備發(fā)揮性能提到至關(guān)重要的作用。

1.2 電池保護(hù)板參數(shù)

成品鋰電池組成主要有兩大部分，鋰電池電芯和保護(hù)板，鋰電池電芯由正極板、隔膜、負(fù)極板、電解液等組成。正極板、隔膜、負(fù)極板纏繞或?qū)盈B，包裝，灌注電解液，封裝后即成電芯。鋰電池保護(hù)板，顧名思義就是保護(hù)鋰電池用的，鋰電池保護(hù)板的作用是保護(hù)電池不過放、不過充、不過流，還有就是輸出短路保護(hù)。

當(dāng)電池供電電流過大， 超出其額定功率，電池會(huì)產(chǎn)生較高的熱量， 致使本身溫度過高， 有爆炸的危險(xiǎn)。所以此時(shí)保護(hù)電路應(yīng)該關(guān)閉電池供電， 執(zhí)行過流保護(hù)功能。至于保護(hù)時(shí)電流的大小， 則根據(jù)電池的額定功率和負(fù)載的大小加以設(shè)定。

2 出廠時(shí)電池電量設(shè)置

移動(dòng)終端從工廠出廠到消費(fèi)者手中往往需要一定時(shí)間，比如2個(gè)月或者更長(zhǎng)時(shí)間（國(guó)內(nèi)生產(chǎn)國(guó)外銷售或國(guó)外生產(chǎn)國(guó)內(nèi)銷售等）。為了滿足到消費(fèi)者手中，電池不會(huì)出現(xiàn)過放保護(hù)一旦接入電源可以及時(shí)充起電池或開機(jī)。如下以手機(jī)出廠時(shí)保持電量50～55%為例：

關(guān)機(jī)漏電流120μA，放置兩個(gè)月，損耗電量為：0.12mA*24H*60=172.8mAh。

同時(shí)，電池本身存在自耗電，約一天為1mV，放置兩個(gè)月，損耗即為：0.06V。

以2500mAh電池容量為理論計(jì)算：

要使得電量保持在50%～55%，即剩余電量為2500mAh*50%～55%=1250～1375mAh，根據(jù)電池的ZCV（Zero Current Voltage）放電曲線可知，電壓點(diǎn)為：3.74～3.76V。

在此基礎(chǔ)上，再與以上損耗掉的進(jìn)行向上累加，1250～1375mAh加上172.8mAh，則為1422～1547mAh，此電壓點(diǎn)為：3.77～3.80V。

再加上0.06V電芯的自耗電，即為：3.83～3.86V。

因此，根據(jù)以上理論計(jì)算，而一般電池出廠時(shí)的電壓為3.92～3.98V，本身可以滿足出貨需求。但是在生產(chǎn)組裝和測(cè)試環(huán)節(jié)，本身會(huì)耗一部分電池電量，尤其在功能測(cè)試階段耗電量較大。這樣就需要在工廠生產(chǎn)線增加工序做再充電操作（備注：以上充放電計(jì)算按照Z(yǔ)CV放電曲線所得，與其他計(jì)算方式可能存在一定偏差）。

采用出廠時(shí)提高手機(jī)電池電量，電池可以維護(hù)較長(zhǎng)的時(shí)間。根據(jù)手機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)由整機(jī)漏電流與電池自耗電兩部分組成，F(xiàn)airchild或Will半導(dǎo)體公司開發(fā)出可配置負(fù)載開關(guān)和復(fù)位定時(shí)器芯片（Configurable Reset Timer with Integrated Load Switch）。采用此芯片手機(jī)在出廠前可關(guān)斷該芯片輸出，此時(shí)這個(gè)系統(tǒng)的漏電流僅為0.2μA（芯片本身），最大也僅為1μA，極大的延長(zhǎng)電池待機(jī)時(shí)間，手機(jī)出廠3～4個(gè)月后不會(huì)出現(xiàn)過放的情況。終端用戶按開關(guān)機(jī)按鍵或充電器插入，可以打開芯片內(nèi)部Mosfet進(jìn)入正常的應(yīng)用場(chǎng)景。鋰電池的充電過程大致分為快充與慢充兩個(gè)階段。在鋰電池快充的過程中充電電流恒定，且隨著充電的進(jìn)行，電壓也逐漸增加，最終進(jìn)入了電壓恒定，充電速率減慢的第二階段充電過程，且整個(gè)過程中隨著電池充電量的增多，電壓也會(huì)隨著其電池電量的增加最終減少到0，完成充電。

3 充電電路分析和介紹

當(dāng)便攜式設(shè)備長(zhǎng)久不用或者工廠出貨至終端消費(fèi)者周期交期，仍然會(huì)面臨電池電量逐漸耗盡使得電池進(jìn)入過放保護(hù)狀態(tài)。此狀態(tài)是無法避免或者回避，當(dāng)電池可拆卸，尤其是功能機(jī)時(shí)代，通常采用外部電源來激活進(jìn)行再次充電使用。但對(duì)內(nèi)置電池方案，由于電池固定在整機(jī)內(nèi)部不可拆卸，此時(shí)就需要充電方式來激活或者把電池充起。

不同設(shè)備的充電電路區(qū)別很大，例如有的采用硬件充電芯片去控制整個(gè)充電過程；有的手機(jī)采用分立元件，用軟件控制充電流程。有些平臺(tái)芯片內(nèi)部集成充電功能電路，有些平臺(tái)考慮溫升和效率等方面，需要外部專門充電電路，PMIC（電源管理芯片）作為充電檢測(cè)等。不管這些實(shí)現(xiàn)方案是如何構(gòu)建，其實(shí)狀態(tài)控制控制過程都是基于負(fù)反饋原理。

下面基于MT6582手機(jī)平臺(tái)，充電過程如圖1所示。

3.1 線性充電電路設(shè)計(jì)

在MTK平臺(tái)方案中，具有DDLO（Deep discharge lockout）功能。當(dāng)電池電壓低于2.5V，PMIC進(jìn)入深度放電鎖止功能，此時(shí)VRTC的LDO被關(guān)閉。否則，VRTC將要從電池吸取電量，此DDLO功能可以防止電池進(jìn)一步放電或者對(duì)電芯產(chǎn)生損壞。

（1）預(yù)充電模式

當(dāng)電池電壓處于UVLO（Under-voltage lockout）階段，當(dāng)充電器插入時(shí)進(jìn)入預(yù)充電模式。此模式下可以分成兩個(gè)階段：

當(dāng)電池電壓低于2.2V（深度放電），以70mA/550ms脈沖小電流來對(duì)電池充電；

當(dāng)電池電壓高于2.2V，例如Pre-CC1階段，此時(shí)采用閉環(huán)預(yù)充電模式，通過保持RSENSE上電壓電位差為60mV（AC充電）或14mV（USB host），可以計(jì)算出閉環(huán)預(yù)充電電流大?。?/p>

當(dāng)RSENSE=0.2Ω，可以計(jì)算出此階段充電電流為70mA或300mA，直至電池電壓升至3.3V為止。假如電池過放，為了保護(hù)電池充電，采取涓流充電（IUNIT）和兩個(gè)專用定時(shí)器來保護(hù)充電行為（BC1.1Dead-Battery Support）。

如果電池電壓總是低于2.7V，一個(gè)5分鐘的定時(shí)器結(jié)束和停止充電；

如果電池電壓保持在2.7～3.3V之間，另一個(gè)35分鐘定時(shí)器結(jié)束和停止充電行為。

（2）恒流（Constant current）模式

此階段通過PMIC內(nèi)部的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，保證（ISENSEBATSNS）電壓恒定。此時(shí)充電電流為：

3）恒壓（Constant voltage）模式

此階段通過PMIC內(nèi)部的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，保證BATSNS電壓恒定。

在恒流階段的前半段，VBAT較低，VBUS與VBAT壓差較大。BJT或mos管和RSENSE電阻上發(fā)熱大，軟件控制充9秒停1秒，停一秒為了散熱。因此，就有了“pulse charge”的名稱。

由于線性充電方式具有成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)但發(fā)熱量大，效率偏低，充電電流較小等缺點(diǎn)，在一些高端產(chǎn)品中逐漸采用開關(guān)充電模式來增強(qiáng)用戶體現(xiàn)效果。

3.2 開關(guān)充電電路設(shè)計(jì)

以BQ2415x系列芯片作為開關(guān)充電方式（switching charge）為例：

CBOOT主要是來當(dāng)作charge pump（電荷泵）使用的，由下面方框圖2可以看出Q2為NMOS管，N-MOS要導(dǎo)通需要Vgs>Vth，但是目前N-MOS放在high side（高電位），Vgs無法大于Vth。所以需要使用CBOOT當(dāng)Charge pump，將電壓升壓大于Vbus+Vth，才能打開Q2。由于一般電容的誤差相對(duì)較大，10nF的電容可能部分不能使N-MOS導(dǎo)通導(dǎo)致無法充電。因此可以更改為33nF電容加大電荷，以避免電容偏小導(dǎo)致升壓不足隱患。

以BQ25153A/8芯片OTG控制腳介紹：

此對(duì)帶OTG（On-The-Go）功能的項(xiàng)目尤其關(guān)鍵，USBOTG功能可以采用GPIO或I2C來控制。當(dāng)OTG Pin為高電平時(shí)，通過I2C解除限流前限流為500mA；當(dāng)OTG Pin為低電平時(shí)，通過I2C解除限流前限流為100mA，預(yù)充電電流小加上15分鐘定時(shí)模式，存在不能滿足下載程序電流要求或無法激活電池隱患。因此，OTG功能盡量采用I2C控制，此OTG通過10kΩ電阻上拉至VREF，保持高電平。

3.3 路徑管理充電電路設(shè)計(jì)

根據(jù)線性與開關(guān)充電電路介紹，通過電池參數(shù)合理選擇、預(yù)充電電流提高或軟件優(yōu)化方案等來解決電池過放激活問題。當(dāng)電池過放后插入充電器，仍然需要5-8分鐘的時(shí)間才能喚醒系統(tǒng)，直接帶來錯(cuò)覺是手機(jī)存在不能充電故障。更糟糕的是，此時(shí)你恰好需要使用此設(shè)備。帶路徑管理充電方案通過把充電電流分成充電部分與系統(tǒng)部分，這樣就較好的解決此問題。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋰離子電池是手機(jī)的一個(gè)重要組成部件，其充電電路的設(shè)計(jì)關(guān)系到電池的使用性能及使用壽命，并對(duì)手機(jī)的正常、安全使用具有十分重要的影響。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電池充電電路時(shí)，要考慮周全，保證鋰離子電池的正常使用。本文對(duì)鋰離子電池充電電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方案具有良好的使用效果，可供類似電池充電電路設(shè)計(jì)參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]黎夏，徐軍明.基于單片機(jī)的鋰離子電池多用途電路設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程.2014（01）.

[2]孔淑苗.智能穿戴設(shè)備鋰離子電池充電管理設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù).2016（02）.