摘要：在分析了鋰離子電池的充電過程和bqTINY—II系列電源管理芯片功能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種以bq24020芯片為核心的電源管理模塊，并詳細(xì)介紹了該模塊的功能和工作原理。
關(guān)鍵詞：鋰電池；USB電源；恒流充電；恒壓充電
O 引言
便攜式電子產(chǎn)品以電池作為電源。隨著便攜式產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，各種電池的用量大增，并且開發(fā)出許多新型電池。近年來開發(fā)的高能量密度的鋰離子電池具有體積小、容量大、待機(jī)時(shí)間長等特性，非常適合便攜式系統(tǒng)的應(yīng)用。
在便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，其電源管理模塊的設(shè)計(jì)是十分重要的，因?yàn)檫@關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、持續(xù)性及快速恢復(fù)的能力問題。尤其是在使用鋰電池作為系統(tǒng)電源時(shí)，其電源管理模塊的作用更加突現(xiàn)。本文針對(duì)鋰電池充電的特點(diǎn)，介紹了一種基于bqTINY—II的便攜式電子心音檢測(cè)儀電源管理模塊解決方案。
l 鋰離子電池充電過程
鋰系列(鋰離子或鋰聚合物)電池的充電過程分為3個(gè)階段，如圖1所示。
第一階段為檢驗(yàn)和預(yù)充電階段。該階段主要的任務(wù)是：驗(yàn)證電池的溫度并將其調(diào)整到適合快速充電的范圍內(nèi)；檢測(cè)電池電壓并將其提高到一個(gè)安全水平。溫度檢驗(yàn)和預(yù)充電提高了電池的安全性和使用壽命。
第二階段將以“1C”或略低的電流進(jìn)行恒流充電。一旦電池達(dá)到它的電壓限幅4．1V或4．2V．則已完成對(duì)大約70％的容量的充電，并進(jìn)入第三階段充電。
第三階段是對(duì)電池進(jìn)行恒壓充電，為了使安全性和電量達(dá)到最大化，需要將充電電壓穩(wěn)定在±1％的精度內(nèi)。在恒壓充電階段，充電電流逐漸變小，并且在大多數(shù)情況下，當(dāng)這個(gè)充電電流接近快速充電電流的10％，即C／10時(shí)，充電過程就結(jié)束了。
2 基于bqTINY—II的電源管理模塊
bqTINY-II是TI推出的電池充電管理芯片，它為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來一套集成解決方案。該芯片將自動(dòng)電源選擇、功率FET和電流傳感器、高精準(zhǔn)度的穩(wěn)流和穩(wěn)壓能力、充電狀態(tài)顯示和充電中止等功能集為一體。它的一個(gè)重要特點(diǎn)是其可以選擇兩種充電模式，支持目前流行的USB接口充電。
bqTINY-II支持三階段的充電程序如圖1所示，包括預(yù)充電調(diào)節(jié)階段、恒流充電階段以及許多設(shè)備制造商都要求的高精準(zhǔn)度恒壓充電階段。hqTINY-1I的功耗極低，當(dāng)系統(tǒng)未連接至電源時(shí)， bⅡ_rlNY．II就會(huì)進(jìn)入低功耗休眠模式．它此時(shí)只會(huì)從電池汲取非常少的電量。
2.l 示意電路圖
該方案的示意電路如圖2所示，該原理圖以bq24020芯片為核心，配以必要的外圍元器件。由于bq24020芯片的高集成化，使得所需的外圍元器件大大減小，只需要3顆濾波電容和1顆用于設(shè)置AC預(yù)充率的電阻即可。
圖2所示電源管理模塊有4個(gè)輸入接口，4個(gè)輸出接口和一個(gè)公共地。其中4個(gè)輸入接口為：交流適配器AC接口、USB取電接口、充電使能信號(hào)CE、USB充電點(diǎn)設(shè)置；4個(gè)輸出接口為：電源輸出、電源溫度信號(hào)輸出、2個(gè)充電狀態(tài)指示輸出。
面向應(yīng)用系統(tǒng)的6個(gè)接口的參數(shù)說明如下：
VCC為電池電壓輸出口，本電源模塊通過該口輸出電流，向應(yīng)用系統(tǒng)供電。
TS為電源溫度狀態(tài)信號(hào)輸出，該信號(hào)由電池艙內(nèi)的10 kΩ的負(fù)溫度系數(shù)電熱調(diào)節(jié)器所產(chǎn)生。應(yīng)用系統(tǒng)可以通過將該接口的電壓與電源地相比較來判斷電源目前溫度狀況。
CE為bqTINY—II芯片的使能控制信號(hào)，該信號(hào)為低電平時(shí)充電電路工作，高電平時(shí)芯片停止工作并進(jìn)入低功耗休眠模式。
ISET2接口用于控制USB充電時(shí)的參數(shù)選擇。由于USB接口分為大功率(500mA)和小功率(100mA)兩種，因此系統(tǒng)必須對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。識(shí)別完成后系統(tǒng)可以送低電平信號(hào)到該接口，使得芯片選擇100mA模式進(jìn)行充電或者送高電平選擇500mA。如果系統(tǒng)不想使用USB模式進(jìn)行充電．可以將該接口置為高阻態(tài)。
STATl和STAT2為充電狀態(tài)顯示信號(hào)輸出，該信號(hào)可以直接驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED進(jìn)行狀態(tài)指示或送至主處理器供其作進(jìn)一步處理。
2.2 功能描述
1)三階段充電自動(dòng)控制功能
測(cè)申池的電壓，如果低于預(yù)定閾值電壓，就要先進(jìn)行涓流充電，即電池預(yù)充階段；
電池電壓上升到預(yù)設(shè)值(一般設(shè)為2.9V)時(shí)，充電方式改為全電流充電，即進(jìn)入恒流充電階段；
當(dāng)電池電壓達(dá)到最大電壓(鋰離子電池一般為4．2V)時(shí)，開始改為恒壓充電，此時(shí)充電電流逐漸降低，進(jìn)入恒壓充電階段；
當(dāng)電流逐漸減小到預(yù)設(shè)值時(shí)，充電過程結(jié)束。
2)供電電源自動(dòng)選擇
bqTINY—II支持兩種電源輸入，默認(rèn)的是把AC適配器作為輸入源。如果沒有AC適配器，芯片就會(huì)選擇USB作為輸入電源。如果兩種輸入都存在，則優(yōu)先選擇AC適配器。
3)電池過熱保護(hù)功能
bqTINY—II通過測(cè)量腳TS和VSS之間的電壓來監(jiān)測(cè)電池的溫度。bqTINY—II內(nèi)部含有一個(gè)電流源，利用這個(gè)電流源為lO kΩ的負(fù)溫度系數(shù)電熱調(diào)節(jié)器提供偏置。bqTlNY—II通過比較腳TS和內(nèi)部的閾值電壓VLTF、VHTF來決定是否進(jìn)行充電。當(dāng)VTS<VHTF或VTS>VLTF時(shí)，就會(huì)停止充電。bqTINY—II只是通過關(guān)閉電源的FET來暫時(shí)停止充電時(shí)，并沒有重新設(shè)置定時(shí)器。當(dāng)溫度恢復(fù)到正常值時(shí)，充電就會(huì)繼續(xù)。用戶可以通過兩個(gè)額外的電阻來改變溫度范圍，如圖3所示。
4)電池預(yù)充機(jī)制
在一個(gè)充電周期中，如果電池電壓低于VLOWV，bqTINY—II就會(huì)利用預(yù)充電流Io(PRECHG)來對(duì)電池充電，這樣就可把電池中過度放電的離子激活。在1SETl、VSS之間的電阻RSET決定了預(yù)充率。這種特性對(duì)于AC和USB充電都適用。
hqTINY—II會(huì)在預(yù)充電期間設(shè)置一個(gè)定時(shí)器。如果在這個(gè)定時(shí)器設(shè)置的時(shí)間內(nèi)電池電壓沒有達(dá)到V(LOWV),bqTINY-II將會(huì)停止充電，并且在腳STATx上顯示出錯(cuò)信息。
5)充電電壓自動(dòng)控制功能
bqTINY—II的腳0UT直接和電池的正極相連．芯片通過此引腳采集電池的反饋電壓，然后比較采集回的反饋電壓和VSS引腳之間的電壓差值，從而完成對(duì)電池電壓的監(jiān)測(cè)。當(dāng)電池的電壓上升到Vo(REG)時(shí)，恒壓充電開始，充電電流開始減小。
為了安全起見，在充電期間bqTINY—II也監(jiān)視充電時(shí)間。如果在規(guī)定的充電時(shí)間t(CHG)期間未完成充電，bqTINY—II將會(huì)停止充電，并且在STATx引腳顯示出錯(cuò)信息。
6)充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)(自動(dòng)終止和重新充電功能)
在恒壓充電階段bqTINY—II一直監(jiān)視充電電流。一旦預(yù)設(shè)的，I(TAPER)被檢測(cè)到．bqTINY—II就啟動(dòng)TAPER定時(shí)器(見圖1)。當(dāng)規(guī)定的時(shí)間到達(dá)后，充電過程結(jié)束。連接在ISETl和VSS之間的電阻RSET決定了 TAPER的長短。
如果充電電流恢復(fù)到I(TAPER),bqTINY就會(huì)重置TaDer定時(shí)器。另外，如果充電電流小于I(TEMP)，則會(huì)終止充電。這樣就可以快速識(shí)別出電池的移出和已經(jīng)充好的電池的插入。注意，這種特性就會(huì)使充電計(jì)時(shí)器和Taper定時(shí)器失去效用。連接在腳ISETl和VSS之間的電阻RSET決定了 TAPER電流的檢測(cè)門限。
充電完成后，bqTlNY-II一旦檢測(cè)到腳OUT的電壓低于VRCH，就會(huì)重新啟動(dòng)充電。這樣就會(huì)讓電池一直處于滿充的狀態(tài)。
7)自動(dòng)休眠功能
當(dāng)系統(tǒng)沒有連接AC和USB電源時(shí)，bqTINY-II就會(huì)使模塊進(jìn)入低功耗休眠模式。這種特性可以防止沒有外部輸入時(shí)電池漏電．
8)充電狀態(tài)信號(hào)輸出
表1列出了STATl和STAT2的輸出所表示的充電狀態(tài)。這些狀態(tài)引腳輸出的信號(hào)可以用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED或送至主處理器作進(jìn)一步處理。
2. 3 工作流程圖
電源管理模塊的工作流程如圖4所示。當(dāng)有外部電源(AC或USB)輸入，且模塊使能信號(hào)CE為低電平時(shí)，芯片開始工作。
芯片首先比較輸入電壓VIN與電池電壓VOUT的高低。如果VOUT高于VIN則說明電池處于滿充狀態(tài)，此時(shí)電池不需充電，芯片轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，否則進(jìn)入充電程序。
進(jìn)入充電程序后模塊首先檢測(cè)電池電壓VOUT是否高于進(jìn)行電池快充所需電壓VLOWN，如果滿足條件則進(jìn)入電池快充程序，即高精確準(zhǔn)度恒壓充電。否則模塊對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充，即涓流充電，直到電池電壓上升到VLOWV以上才進(jìn)入快充程序。模塊進(jìn)入預(yù)充或快充程序時(shí)都會(huì)設(shè)置相應(yīng)的計(jì)時(shí)器，以保護(hù)電池不被過充，提高電池使用壽命。
電池如果預(yù)充超時(shí)，則模塊進(jìn)入充電錯(cuò)誤處理程序，并在腳STATx輸出出錯(cuò)信息。模塊首先檢測(cè)電池是否可用，即檢測(cè)電池電壓VOUT是否大于預(yù)先設(shè)定的電池再充電壓VROHo條件滿足則充電程序重新開始，否則激活計(jì)時(shí)器錯(cuò)誤恢復(fù)電流等待條件滿足。
如果在恒流或恒壓充電階段計(jì)時(shí)器超時(shí)，則模塊進(jìn)入充電錯(cuò)誤處理程序。如果在恒壓充電后期電流逐漸減小到規(guī)定值階段計(jì)時(shí)器超時(shí)，則充電程序結(jié)束。
3 應(yīng)用實(shí)例
便攜式電子心音診斷儀是一種手持式心音輔助診斷設(shè)備，具有體積小、重量輕、使用方便、檢測(cè)迅速、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，為醫(yī)務(wù)工作者工作效率的提高起到了重要作用。本文介紹的電源管理模塊在該設(shè)備的設(shè)計(jì)方案中得到了應(yīng)用。該設(shè)備使用一塊鋰電池供電，采用bq24020作為電源管理核心控制芯片，通過STATl和STAT2端口向系統(tǒng)主控芯片輸出電源狀態(tài)，系統(tǒng)主控芯片通過輸出CE信號(hào)控制bq24020進(jìn)行工作，通過設(shè)置ISET2狀態(tài)對(duì)USB充電模式進(jìn)行選擇。系統(tǒng)還可以檢測(cè)Ts接口信號(hào)來獲得電池溫度狀況。
4 結(jié)語
baTINY—II的各項(xiàng)新特性使便攜產(chǎn)品的充電控制和供電管理設(shè)計(jì)更加容易，對(duì)電池的保護(hù)也更加完善，無論從成本、性能還是系統(tǒng)可靠性方面來衡量，用bqTINY—II來設(shè)計(jì)的電源管理模塊都能滿足需求。本文所介紹的電源管理模塊采用bqTINY—II系列芯片為核心，這是一種低成本鋰離子充電方案，可以使用廉價(jià)的可插到墻上的穩(wěn)壓器或者使用當(dāng)前流行的USB接口供電。由于它的高集成度和電路板占用空間小，幾乎完全消除了高端設(shè)備的功率耗散問題，是一種理想的便攜式設(shè)備電源管理模塊。
