鋰離子充電控制器bq2954

摘要：bq2954是美國TI公司生產(chǎn)的鋰離子電池充電控制芯片。文中介紹了bq2854的特點(diǎn)、功能及參數(shù)，給出了推薦工作條件，最后給出了采用bq2954設(shè)計(jì)的鋰離子電池充電控制器的實(shí)際應(yīng)用電器。

關(guān)鍵詞：充電 鋰離子電池 檢測模式 脈寬調(diào)制 bq2954

1 概述

bq2954是美國TI公司生產(chǎn)的鋰離子電池充電控制芯片。該芯片在充電過程中，采用了PWM技術(shù)充電電壓和充電電流進(jìn)行控制，能夠有效地降低系統(tǒng)功耗，其工作頻率可以通過外接電容進(jìn)行設(shè)備。另外，該控制芯片還能對(duì)鋰離子電池提供有效的保護(hù)，只有當(dāng)鋰離子電池的電壓和溫度都滿足設(shè)定條件時(shí)，芯片才轉(zhuǎn)入快速充電模式。如果電池電壓低于電壓的下限，bq2954將自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電模式；bq2954是利用外接熱敏電阻來檢測電池溫度的。它的充電過程分為兩個(gè)階段：第一階段為恒流充電階段，第二階段為電壓控制階段。恒流充電階段能夠完成可充電池容量的70%，剩余的30%則在電壓控制階段完成。Bq2954具有顯示充電過程和充電故障狀態(tài)的特性，因而可使用戶準(zhǔn)確及時(shí)地?fù)挝粘潆娖骱弯囯x子電池的工作狀態(tài)。

2 特點(diǎn)和引腳功能

2.1 特點(diǎn)

bq2954鋰離子電池充電控制芯片具有以下特點(diǎn)：

●采用PWM技術(shù)控制充電電流和充電電壓；

●可對(duì)高端/低端電流進(jìn)行檢測編程控制；

●可通過設(shè)置最小充電電流來控制快充過程；

●可采用預(yù)充電模式來檢測電池故障；

●可通過設(shè)定溫度和電壓值來保證充電質(zhì)量；

●可直接驅(qū)動(dòng)LED以顯示充電狀態(tài)。

2.2 引腳功能

bq2954采用16腳窄DIP或SOIC封裝形式，它的各引腳排列如圖1所示，各引腳功能如下：

●TM（引腳1）：充電時(shí)間編程信號(hào)輸入端。通過該引腳上的電阻和電容可以設(shè)置最大充電時(shí)間；

●CHG（引腳2）：充電控制端。通過該端可以檢測電池是否充滿或是否從充電器中移走。當(dāng)電池充滿、移走或發(fā)生故障時(shí)，芯片內(nèi)部的開路輸出端將呈現(xiàn)低電平；

●BAT（引腳3）：電池電壓信號(hào)輸入端；

●VCOMP（引腳4）：電壓環(huán)路補(bǔ)償端。通過外接RC網(wǎng)絡(luò)來穩(wěn)定充電電壓；

●ICOMP（引腳5）：電流信號(hào)補(bǔ)償端。通過外接RC網(wǎng)絡(luò)來穩(wěn)定充電電流；

●ITERM（引腳6）：充電模式選擇端。用于度設(shè)置快速充電模式中止信號(hào)IFULL和IMIN；

●SNS（引腳7）：充電電流檢測信號(hào)輸入端。通過該腳上的外接檢測電阻可對(duì)電池電流進(jìn)行檢測；

●TS（引腳8）：溫度檢測信號(hào)輸入端。用于檢測電池的溫度，并可通過外接電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來設(shè)置溫度上限和下限閾值；

●TPWM（引腳9）：PWM工作頻率設(shè)置端。PWM工作頻率由外接定時(shí)接地電容來設(shè)置；

●BTST（引腳10）：電池檢測信號(hào)輸出端。當(dāng)充電器中的電池被取出后，該端將被置為高電平；

●LCOM（引腳11）：LED公共輸出端；

●Vss(引腳12)：接地端；

●Vcc(引腳13)：接5V偏置電源端。

●MOD（引腳14）：充電電流控制信號(hào)輸出端。該端為脈寬調(diào)制推挽輸出端，用于控制充電電流的大小。當(dāng)MOD為低電平時(shí)，充電電流將被中止；

●LED1/CSEL（引腳15）：充電狀態(tài)輸出端1/充電電流檢測位置選擇端。用于設(shè)定充電電流檢測端位于電池高端還是低端；

●LED2/DSEL（引腳16）：充電狀態(tài)輸出端2/充電檢測狀態(tài)顯示模式選擇端。

3 bq2954的原理功能

bq2954的內(nèi)部功能框圖如圖2所示。

3.1 充電算法和充電條件檢測

bq2954采用兩階段快速充電算法。第一階段的充電電流保持恒定，在VBAT引腳上的電壓VBAT上升到內(nèi)置閾值VREG時(shí)，充電過程轉(zhuǎn)入第二階段，此時(shí)，電壓保持恒定（VBAT=VREG），當(dāng)充電電流低于編程設(shè)置的IMIN閾值時(shí)，快速充電過程結(jié)束而轉(zhuǎn)入充電完成狀態(tài)。

在電流插入充電器后，接通電流即可進(jìn)入一個(gè)新的充電周期。首先，檢測待充電池的溫度是否在允許的溫度范圍內(nèi)。如果溫度不滿足充電要求，bq2954將保持在S01狀態(tài)，即“Qualification”狀態(tài)，直到待充電流的溫度和電壓滿足要求。在充電過程中，若電池溫度過高（“HOT”狀態(tài)），bq2954將自動(dòng)進(jìn)入S04狀態(tài)，即“Done”狀態(tài)，并通過LED顯示故障狀態(tài)，同時(shí)中斷充電電流。如果電池溫度過低（“COLD”狀態(tài)），則中斷充電并自動(dòng)轉(zhuǎn)入S01狀態(tài)。只有在電流溫度恢復(fù)正常且VBAT低于內(nèi)置閾值VRCHG之后，電路才會(huì)重新進(jìn)入新的充電周期。如果插入的待充電池的溫度和電壓均符合要求，bq2954則進(jìn)入S02狀態(tài)，即“Conditioning”狀態(tài)，該階段的充電電流將維持在ICOND（IMAX的十分之一）。在經(jīng)過延遲時(shí)間tHO之后，如果檢測到的VBAT值在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到VMIN，則bq2954將進(jìn)入快速充電狀態(tài)。如果在規(guī)定時(shí)間tQT內(nèi)VBAT仍未達(dá)到VMIN，說明電池可能發(fā)生了故障狀態(tài)。此時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入充電故障狀態(tài)，然后將tQT設(shè)為tMOT的四分之一。一旦發(fā)現(xiàn)充電故障，只有重新接通電源重新插入電池才能開始新的充電周期。

3.2 充電狀態(tài)

顯示充電狀態(tài)是通過兩個(gè)發(fā)光二極管LED1和LED2來實(shí)現(xiàn)的。通過DSEL引腳可以設(shè)置三種不同的顯示模式。DSEL/LED1和CSEL/LED2是雙功能引腳：驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，該腳作為驅(qū)信號(hào)的輸出端；作編程控制引腳時(shí)，則作為編程信號(hào)輸入端。正常上電后，bq2954鎖存DSEL和CSEL引腳上的編程控制信號(hào)。當(dāng)新的編程信號(hào)被鎖存后，發(fā)光二極管將熄滅約400ms。當(dāng)充電電流低于IFULL時(shí)，LED1和LED2將顯示電池已經(jīng)充滿。當(dāng)充電電流低于最小充電電流閾值IMIN時(shí)，快速充電過程結(jié)束。IFULL和IMIN可以通過ITERM引腳進(jìn)行設(shè)置。不同電流檢測模式的充電狀態(tài)顯示設(shè)置如圖3所示。

正常快速充電周期、快速充電周期之后的再充電以及異常充電狀態(tài)三種情況下的充電狀態(tài)顯示表分別如表1、表2和表3所示。

表1 正常快速充電周期

表2 快速充電周期之后的再充電

表3 異常充電狀態(tài)

3.3 充電狀態(tài)監(jiān)控

a.電壓電流監(jiān)控

如果采用低端電流監(jiān)測，bq2954將監(jiān)測了BAT引腳與其它引腳之間的電壓差值。如果采用高端電流監(jiān)測，bq2954將監(jiān)測BAT引腳與Vss引腳之間的電壓差值，該電壓可以通過一個(gè)分壓器得到。為了最大限度地降低分壓器對(duì)電池的影響，分壓器的電阻值應(yīng)足夠大，但阻值過高又會(huì)使噪音抑制能力下降，因此，分壓器電阻值應(yīng)在150kΩ到1MΩ之間選取。其計(jì)算公式如下式所示。

RB1/RB2=（NVCELL/VREG）-1

其中：VCELL是生產(chǎn)廠商設(shè)置的電池充電電壓值；N是待充電池總數(shù)；VREG為2.05V。

電流檢測電阻RSNS由快速充電電流決定：

RSNS=0.25V/IMAX

式中：IMAX是恒流充電階段時(shí)的電流值。

在不同電流檢測模式時(shí)，電流分壓器設(shè)置也將不同，具體電路如圖4所示。

b.電池插入和取出狀態(tài)監(jiān)控

bq2954通過VBAT來監(jiān)測電池的插入和取出狀態(tài)；當(dāng)VBAT介于電壓上限（VHCO=VREG+0.25V）和電壓下限（VLCO=0.8V）之間時(shí)，電路認(rèn)為電池處于插入狀態(tài)。如果VRAT超出這個(gè)范圍，則認(rèn)為電池尚未插入，bq2954將轉(zhuǎn)入電池監(jiān)測技術(shù)。當(dāng)電池從充電器中取出后，VBAT將降至VLOC以下。在電池監(jiān)測狀態(tài)中，BTST引腳應(yīng)置為高電平，以激活處于過放電狀態(tài)的待充鋰離子電池。

電池插入狀態(tài)監(jiān)測時(shí)間約為500ms。由于有一定的延遲時(shí)間tHO（約為1秒）,因此即使VBAT已達(dá)到VMIN，充電器也不會(huì)立即轉(zhuǎn)入快速充電狀態(tài)。該延遲時(shí)間可以防止BAT引腳上產(chǎn)生電壓尖峰時(shí)的誤判。在電池取出狀態(tài)監(jiān)測過程中也存在一個(gè)時(shí)間延遲。

c.溫度監(jiān)控

對(duì)溫度的監(jiān)控是通過TS引腳和電池負(fù)極之間的電壓差值來實(shí)現(xiàn)的。該電壓通過一個(gè)NTC（負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻和熱敏電阻線性化網(wǎng)絡(luò)獲得。bq2954高爾夫球該電壓與內(nèi)閾值電壓相比較，以確定是否進(jìn)入快速充電狀態(tài)。這些內(nèi)置閾值包括：

（1）溫度“高”狀態(tài)截止電壓VTCO：VTCO=0.4Vcc，該電壓對(duì)應(yīng)于充電時(shí)所允許的最高溫度值Tco。

（2）溫度“高”狀態(tài)故障電壓VHTF：VHTF=0.44Vcc，該電壓對(duì)應(yīng)于電池溫度超過Tco之后恢復(fù)充電時(shí)的溫度THTF。

（3）溫度“低”狀態(tài)故障電壓VLTF：VLTF=0.6Vcc，該電壓對(duì)應(yīng)于充電時(shí)所允許的最低溫度值TLTF。

一旦溫度超出TLTF～Tco溫度范圍，充電過程即被中止。而且，如果溫度超出了Tco，恢復(fù)充電時(shí)，電流溫度就必須降至THTF以下。

構(gòu)成熱敏電阻線性化網(wǎng)絡(luò)的電阻RT1和RT2由下式?jīng)Q定：

0.6Vcc=V/[1+RT1(RT2+RLTF)/(RT2RLTF)]

0.44=1/[1+RT1(RT2+RHTF)/(RHTFRT2)]

式中：RLTF為熱敏電阻在TLTF時(shí)的阻值；RHTF為熱敏電阻在HTF時(shí)的阻值；

采用低端電流檢測模式時(shí)，V=Vcc-0.25;

采用高端電流檢測模式時(shí)，V=Vcc；

Tco由RT1的RT2的取值決定，推薦使用精度為1%的電阻。

在TS引腳和電池負(fù)極或在TS和Vcc之間接入10kΩ的電阻可以使溫度監(jiān)控功能失效。

低端和高端溫度檢測設(shè)置分別如圖5、圖6所示。

3.4 最大充電時(shí)間

最大充電時(shí)間tMTO可以通過TM引腳上的R-C網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，即：tMTO=500RC，設(shè)置范圍在1小時(shí)至24小時(shí)之間。推薦C取0.1μF。

MTO定時(shí)器將在快速充電階段的開始時(shí)復(fù)位。如果MTO定時(shí)器在電壓控制階段溢出，快速充電狀態(tài)將被中止，此時(shí)bq2954將轉(zhuǎn)入充電完成狀態(tài)；如果MTO定時(shí)器在電流控制階段溢出，則快速充電狀態(tài)也將中止，bq2954將轉(zhuǎn)入充電故障狀態(tài)。

R-C網(wǎng)絡(luò)及MTO的設(shè)置如圖7所示。

3.5 充電控制

bq2954采用PWM技術(shù)控制充電過程，以實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓控制。并可通過SNS引腳和BAT引腳分別對(duì)充電電流和充電電壓進(jìn)行監(jiān)控，將檢測信號(hào)與內(nèi)置閾值進(jìn)行比較后，器件將通過MOD引腳輸出PWM控制信號(hào)，以維持電流或電壓的恒定，該P(yáng)WM控制信號(hào)的最大占空比為80%。

SNS引腳上的電壓由RSNS的阻值來決定，其最大充電電流為：

IMAX=VSNS/RSNS

開關(guān)頻率由TPWM引腳和Vss引腳之間的外接電容CPWM決定：

fPWM=（1×10 -4）/CPWM

開關(guān)頻率的典型取值一般為100kHz，CPWM可選取0.001μF的電容。

為了防止在電壓控制環(huán)路和電流控制環(huán)路之間產(chǎn)生振蕩，可在引腳VCCMP和ICOMP之間接入頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

3.6 快速充電后的再充電

一次充電工作完成后，如果電池電壓仍然低于VRECHG閾值，則可再次啟動(dòng)快速充電狀態(tài)。當(dāng)經(jīng)過大約1秒鐘的延遲時(shí)間后，進(jìn)入新的充電工作周期。

3.7 推薦工作條件

bq2954的推薦工作條件如表4所列。

表4 bq2954工作條件推薦表

4 典型應(yīng)用

采用bq2954設(shè)計(jì)的高效鋰離子電池充電器原理圖如圖8所示。該充電器能夠?qū)?～4節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電。