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μP控制的Si9731型電池充電器的原理及應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2006-01-23 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:是一種可對(duì)1節(jié)鋰離子或1~3節(jié)鎳鎘/鎳氫進(jìn)行脈沖充電的IC。其電池充電可在系統(tǒng)處理器的直接下完成。文中介紹了的主要特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能和工作,并給出的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:集成電路;μP;

1 Si9731的主要特點(diǎn)

Si9731型電池是一種單片IC,可在系統(tǒng)處理器下對(duì)3節(jié)NiCd/NiMH電池或1節(jié)鋰離子電池進(jìn)行脈沖充電。該IC內(nèi)部的低導(dǎo)通電阻(RSD(CON))的MOSFET可在系統(tǒng)處理器施加的脈沖信號(hào)下,通過(guò)變化的占空比實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷,因而在大電流脈沖充電時(shí)具有非常小的熱耗散。Si9731同時(shí)還提供涓流充電模式,可在電池被充到足夠高的電壓時(shí)喚醒處理器以進(jìn)行充電處理和控制。Si9731內(nèi)含精密電壓參考和誤差放大器,因此,也能為鋰離子電池提供恒壓(CV)充電。

Si9731的主要特點(diǎn)如下:

●可對(duì)單節(jié)鋰離子電池或1-3節(jié)NiCd/NiMH電池進(jìn)行脈沖充電;

●集成有MOSFET,可在截止模式實(shí)現(xiàn)雙向反向電流阻塞(blocking);

●具有PWM控制快速充電模式和低電流涓流充電模式;

●通過(guò)引腳可選4.1V或4.2V的鋰離子電池充電終止限制;

●具有過(guò)熱、過(guò)壓和外部關(guān)斷模式,在關(guān)斷狀態(tài),電池與外部電源完全隔離;

●充電器的輸入、輸出ESD保護(hù)可4kV;

●采用16引腳TSSOP封裝,工作溫度范圍為-40℃~85℃;

Si9731的主要領(lǐng)域是蜂窩電話(huà)電池充電器和個(gè)人數(shù)字助理(PDA)中的電源充電等。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能

Si9731的引腳排列如圖1所示,圖2為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及部分外部元件連接方式。其引腳功能如表1所列。

表1 Si9731引腳功能

引 腳名 稱(chēng)

功 能

1CHARGERPRESENTINCHARGERPRESENT(開(kāi)路漏極)輸出的(充電器出現(xiàn))邏輯輸入
2CHARGERPOWER-ONINCHARGERPOWER-ONIN(開(kāi)路漏極)輸出的(充電器加電)邏輯輸入
3VCHARGER3~12V的外部充電器(輸入)電壓
 0N/OFF主機(jī)關(guān)閉腳。該腳為低電平,充電器關(guān)閉,靜態(tài)電流低于是μA
5TRICKLECHARGEEN選擇該腳為高電平,涓流充電失能
6CVMODE當(dāng)MAINCHARGEEN腳為高電平時(shí),一個(gè)邏輯高電平能使誤差放大器線性驅(qū)動(dòng)MOSFET(Q1)
7MAINCHAREEEN在該腳上的一個(gè)外部PWM信號(hào)控制快速充電MOSFET(Q1)的開(kāi)/關(guān)占空因數(shù)
8,10N/C該腳不連接外部電路
9VERF內(nèi)部1.3V的精密帶隙參考電壓,該腳不施加負(fù)載
11GND低阻抗系統(tǒng)地
124.1V-TAP連接該腳至VBAT+,在恒壓模式4.1V充電終止
13TRICKLE-VBAT連接在該腳與至VBAT+之間的電阻限制涓流充電電流
14VBAT+充電器輸出,連接電池正端
15CHARGERPOWER-ON(Q4)開(kāi)路漏極輸出
16CHARGERPRESENT(Q3)開(kāi)路漏極輸出

3 Si9731的充電過(guò)程

3.1 涓流充電

充電通路可由Si9731內(nèi)部的Q1和Q2N溝道MOSFET組成。當(dāng)電池電壓太低、主處理器不能驅(qū)動(dòng)Si9731的7腳和5腳時(shí),Q1截止,以防止快速充電。此時(shí),由于Q2導(dǎo)通,電路可以獲得從外部電源VCHARGRE(3腳)到電池的涓流充電通路。涓流充電電流主要由外部電流限制電阻器Rext設(shè)定.

公式如下:

ITRICKLE≈(VCHARGER-VBAT+)/Rext

當(dāng)電池電壓充至3.4V的最低電池工作電壓時(shí),內(nèi)部鎖存器被觸發(fā),15腳的輸出將喚醒處理器并使5腳為高電平,其后電路將終止涓流充電并進(jìn)入快速充電階段。

3.2 快速充電

用微處理器通過(guò)Si9731腳7的控制輸入來(lái)對(duì)電池進(jìn)行脈沖充電,并通過(guò)低導(dǎo)通電阻的Q1(MOSFET)來(lái)完成快速充電。處理器通過(guò)系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)監(jiān)視電池電壓,并通過(guò)改變脈沖充電占空比來(lái)維護(hù)快速充電。由于脈沖充電具有較短的導(dǎo)通時(shí)間和較長(zhǎng)的截止時(shí)間,因而可承受足夠大的充電電流。

當(dāng)對(duì)NiCd或NiMH電池充電時(shí),處理器通過(guò)感測(cè)VBAT+輸出上的△V或dc/dt,或通過(guò)監(jiān)視電池溫度變化(△T)來(lái)結(jié)束快速充電模式。

鋰離子電池的充電終止電壓為4.1V或4.2V,當(dāng)4.1V_TAP腳懸空時(shí),可選擇4.2V的充電終止電壓。而將4.1V_TAP與VBAT+腳連接在一起時(shí),VBAT+的終止電壓是4.1V。當(dāng)電池電壓達(dá)到4.1V或4.2V的充電終止電壓時(shí),Si9731的CVMODE腳保持高電平,充電器進(jìn)行恒壓充電模式。在該充電模式下,電路認(rèn)可的充電(OTC)信號(hào)輸出為高電平,與反饋電阻器(RFB1、RFB2和RFB3)串聯(lián)的Q5導(dǎo)通(接地),為內(nèi)部誤差放大器(E/A)提供反饋電壓,并與同相輸入端上1.3V的參考電壓相比較。E/A產(chǎn)生的輸出驅(qū)動(dòng)Q1,使VBAT+保持在充電壓上。

圖2

3.3 認(rèn)充電OTC(OK th charge)信號(hào)與控制邏輯

Si9731含有使涓流充電模式和快速充電模式工作的默認(rèn)充電(OTC)信號(hào)。為了能對(duì)電池充電,OTC信號(hào)必須保持在邏輯高電平上。為此,應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下:

(1)電池電壓低于5V;

(2)充電器輸入電壓VCHARGER高于2.6V但低于12.8V;

(3)當(dāng)Si9731 7腳(MAINCHARGEEN)為低電平時(shí),電壓VCHARGER>VBAT+40mV。如果7腳為高電平,則VCHARGER>VBAT-40mV;

(4)ON/OFF腳為邏輯高電平。

利用一個(gè)加法器可驅(qū)動(dòng)充電回路晶體管Q1,其驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一個(gè)數(shù)字信號(hào)與誤差放大順輸出信號(hào)的組合,它們之間的關(guān)系如表2所列。

表2 Q1驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間關(guān)系

Q1驅(qū)動(dòng)數(shù)字信號(hào)誤差放大器輸出Q1驅(qū)動(dòng)電平
LLL(完全截止)
L居間居間(線性模式)
HLH(完全導(dǎo)通)
HH

3.4 保護(hù)

(1)過(guò)壓檢測(cè)

當(dāng)輸入到Si9731腳3上的電壓VCHARGER大于12.8V時(shí),內(nèi)部過(guò)壓檢測(cè)器將關(guān)斷Q1、Q2和Q5,以終止充電。

(2)熱關(guān)閉

Si9731內(nèi)置熱保護(hù)電路,一旦芯片結(jié)溫超過(guò)130℃,電路將終止充電。而當(dāng)結(jié)溫降至120℃以下時(shí),充電恢復(fù)。

(3)通過(guò)外部關(guān)斷

在Si9731的ON/OFF腳施加一個(gè)不超過(guò)0.4V的電壓時(shí),電路進(jìn)入關(guān)斷模式,此時(shí)電路僅消耗不到0.1μA的靜態(tài)電流。若在ON/OFF腳施加1.5~12V的電壓,電路將被使能。為使Si9731總是保持使能狀態(tài),可將ON/OFF腳連接到VCHARGER腳。當(dāng)Si9731使能時(shí),電池電壓檢測(cè)電路從VBAT消耗的電流約為25μA。

4 結(jié)束語(yǔ)

Si9731是一種由μP控制的電池充電器,該電路可對(duì)單節(jié)鋰離子電池或1~3節(jié)NiCd或MiMH電池進(jìn)行脈沖充電。Si9731的VCAHRGER腳的輸入電壓范圍為4.5~12V,可由墻上的電源適配器提供。Si9731具有快速充電和涓流充電兩種工作模式,并具有過(guò)壓和過(guò)熱保護(hù)功能。



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