锂电池线性充电管理IC_20111202

一、为什么需要充电管理IC

因为锂电池本身是由化学物质组合而成的，化学物质在电离充电的过程中有其特有的充电特性，所以根据自身的充电特性来配置充电IC的性能，以达到正确、安全、高效的使用锂电池。

二、锂电池工作原理

1、锂电池原料

·正极材料：LiCoO2(钴酸锂)+导电剂+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔） ·负极材料：石墨+导电剂+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+ 集流体（铜箔） ·隔膜纸 2、充电过程

电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子从正极“跳进”电解液里，通过电解液“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，运动到负极，与早就通过外部电路跑到负极的电子结合在一起。 正极上发生的反应为：LiCoO2==充电==Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子) 负极上发生的反应为：6C+XLi++Xe=====LixC6 3、放电过程

放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起，我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。 4、摇椅式电池

不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极 → 负极 → 正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。

三、锂电池制作工艺流程

1、制浆

用专门的溶剂和粘结剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。 2、涂膜

将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正负极极片。 3、装配

按正极片-隔膜-负极片自上而下的顺序放好，经卷绕制成电池极芯，再经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。

4、化成

用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都要进行检测，筛选出合格的成品电池，待出厂。

四、锂电池充电管理IC的充电状态

1、待机状态（Standby）

在如下几种情况下会进入待机状态： A·输入电压低于电路最低工作电压； B·电池电压充饱后；

C·利用外置开关强行关断IC，停止IC充电。 待机状态的电压电流特性：

充电IC无充电电压输出，IC输入电流在uA级，减少电路损耗。 2、预充状态（Precharge）

当检测到电池电压低于IC预充电压阈值时，此时将以最大充电电流的1/10电流为充电电流，将电池电压先充到预充电压阈值。 3、恒流充电状态（Constant Current）

当检测到电池电压已经大于预设电压阈值而小于最高电压4.2V（相对于单节锂电池）时，此时IC将以外挂电阻设定的最大充电电流给电池充电。将电池电压充到等于最大充电电压（4.2V附近）时为止。（预充电流和最大充电电流由IC外挂电阻设定） 恒流充电状态时需要注意的几个问题：

A·在此状态下，IC处于最大充电电流状态，此时的损耗也是最大的，现行降压的损耗公式=（Vin-Vout）×Iout。此时需要注意IC的最高工作温度。

B·因为最高充电电流造成温度的提高，IC会自动降低最大充电电流，这就是在过热时充电电流下降的原因。

4、恒压充电状态（Constant Voltage）

当检测到电池电压等于或者接近电池最高电压4.2V时，此时将会以恒定4.2V充电电压，且逐步降低充电电流的方式继续充电。当检测到充电电流小于最大充电电流的1/10时，将会停止充电。

在此状态下需要注意的问题是：当电池充到最大电压时可以自动关断。

五、锂电池充电管理IC分类

1、按照充电电路结构可以分为： （1）线性降压充电管理IC

线性降压部分基本功能类似于LDO的线性降压电路，最大可充电电流设定一般是通过恒流源外挂电阻的方式来设定，而且一般是内部集成功率器件。 （2）开关降压充电管理IC

开关降压电路的基本功能与BUCK降压电路一样，也分为同步降压和非同步降压，最大可充电电流设定一般通过串联在充电回路中的电路取样电压来决定。 2、锂电池开关式充电管理结构特点 （1）电路结构器件相对较多； （2）成本相对较贵；

（3）电路结构效率高，可达到92%以上的充电效率； （4）可充较大容量电池，一般最大充电电流在1A以上； （5）器件发热比较均匀，不会出现单点过热现象。

五、锂电池充电管理IC bq24610/7

1、摘要

bq24610/7是一个高度集成的锂或锂聚合物开关模式电池充电控制器。它有一个恒定频率同步开关PWM控制器，具有高精度充电电流和电压调整，预充电，终止，适配器电流调节和充电状态监控。

bq24610/7充电分为三个步骤：预充电、恒流充电和恒压充电。当电压达到一个最低用户可选电平时，充电终止。可编程充电计时器可提供一个安全备份。如果电池电压低于内部阈值，bq24610/7自动重新开始一个充电周期，而且当输入电压低于电池电压时，它能进入一个低静态电流睡眠模式。

bq24610/7的外部控制开关能阻止电池倒灌到输入端，通过使用6V阈值的开关把适配器连接到系统，电池连接到系统，从而得到更高的系统效率。bq24610/7具有动态电源管理（DPM）特性。当达到输入功率极限时，这些特性减少充电电流，从而避免AC适配器因同时进行供电负载和电池充电引起的超负荷。高精度电流感应放大器能精确地测量来自AC适配器的输入电流，从而监控整个系统电源。

2、管脚功能 管脚 序号 名称 1 ACN 适配器电流检测电阻，负极输入。一个0.1uF陶瓷电容放置ACN与ACP之间提供差模滤波。一个可选0.1uF陶瓷电容放置ACN脚到GND做共模滤波 适配器电流检测电阻，负极输入。一个0.1uF陶瓷电容放置ACN与ACP之间提供差模滤波。一个可选0.1uF陶瓷电容放置ACP脚到GND做共模滤波 AC适配器供电系统MOSFET驱动输出。通过一个1K欧电阻连接到P功能描述 2 ACP 3 /ACDRV 通道功率MOSFET和反向传导阻滞P通道功率MOSFET的栅极。内栅极驱动是非对称的，允许一个快速关和缓慢开，除了关于/BATDRV的内部先断后通逻辑。如果需要，可选一个电容从栅极到源极，用于延缓开关时间。 4 5 6 7 CE STAT1 TS TTC 充电使能，高电平有效，输入脚。内部有1M欧下拉电阻 开漏极充电状态管脚，指示不同充电操作 温度电压输入电池包负温度系数热敏电阻。通过从VREF到TS再到GND的电阻分隔器，来规划热和冷温度窗口。 安全计时器和终止控制。该管脚连接一个电容到地，设置计时器，当该输入为低时，计时器和终止功能被关闭，当拉高时，计时器功能关闭但终止功能有效。 开漏电源正常状态输出，当IC有一个有效VCC（不在UVLO、ACOV或SLEEP状态）时，该管脚低为低电平。当IC有一个无效VCC时，该管脚为高电平。/PG能用于驱动一个LED灯，或与主处理器通信。 开漏充电状态管脚用于显示不同的充电操作。 3.3V稳压输出。放置一个1uF陶瓷电容到GND，并靠近IC。该电压能用于规划电压电流稳定度和规划TS的阈值电压。 快速充电电流设定输入。ISET1管脚电压编程快速充电电流调节设定值。 输出电压模拟反馈调节。连接到一个从电池终端到该管脚的电阻分压器输出，该分压器是调节输出电池稳压。 充电电流检测电阻，负极输入。 充电电流检测电阻，正极输入。 预充电和终止电流设定输入。 适配器电流设定输入。在动态电源管理期间，ACSET管脚的电压设定预充电电流调节设定点。 PWM低端驱动器正6V电源输出。通过在REGN和BTST连接一个小信号肖特基二极管用于低端驱动器和高端驱动器自举电压。 PWM低端驱动器输出。 PWM高端驱动器负极电源。连接到相位开关节点，在PH与BTST之间接一个0.1uF电容。 PWM高端驱动输出。 PWM高端驱动正极供电。 IC正供电。 8 /PG 9 10 11 12 13 14 15 16 18 19 20 21 22 23 24 STAT2 VREF ISET1 VFB SRN SRP ISET2 ACSET REGN LODRV PH HIDRV BTST VCC /BATDRV 电池到系统MOSFET驱动输出。

1、电池稳压

bq24610/7利用一个高精度电压基准和调整器来实现高充电电压精度。充电电压通过一个电池到低的分压器来设置，其分压器中点接到VFB管脚。VFB的电压调节到2.1V，以下是调节电压的方程式：

R2Vbat2.1V1 R1VFB与电池之间接R2，VFB与GND之间接R1。 2、电池稳流

ISET1设置最大快速充电电流。电池充电电流通过连接在SRP和SRN之间的电阻RSR来检测。SRP和SRN之间最大电压为100mV，因此对于10mΩ检测电阻，最大充电电流是10A。充电电流方程式是：

IchargeViset1

20RsrVISET1是输入ISET1电压范围是0V到2V。SRP和SRN管脚是用于检测默认值10mΩ电阻的电压值。无论如何，任何值的电阻也能够使用，电阻值越大，检测电压就越大，调节精度就越高，但传到损失就越高。 3、输入适配器稳流

通常，系统电流波动在系统开机或关机的环节，如果没有动态电源管理（DPM），输入源必须能同时提供最大系统电流和最小系统电流。通过利用DPM，当输入电流超过由ACSET设置的输入电流时，电池充电减小充电电流。AC适配器的电流容量可以降低，减少系统损耗。

类似设置电池稳流，适配器电流通过检查连接到ACP和CAN之间的电阻。最大值通过设置ACSET，方程式如下：

IdpmVacset

20RacVacset，输入电压范围0到2V，ACP和CAN管脚用于检测默认值10mΩ电阻的电压。无论如何，其他阻值也能够使用，电阻值越大，检测电压就越大，调节精度就越高，但传到损失就越高。 4、预充电

如果电池在上电时电压低于Vlowv阈值，bq24610/7申请预充电电流到电池。如果在初始预充电30分钟里还未达到Vlowv阈值，充电将关闭，状态管脚将显示故障。

IprechargeViset2

100Rsr5、充电终止，再充电，安全定时器

bq24610/7在电压调节相位期间监控充电电流。当Vttc有效时，充电终止同时VFB电压高于Vrech阈值，充电电流低于Iterm阈值，就像如下公式计算：

ItermViset2

100RsrISET2的输入电压在0到2V之间。最小预充电/终止电流在默认10mΩ检测电阻下被固定在125mA左右。作为安全备份，bq24610/7也提供一个可编程充电定时器。通过TTC与GND之间的电容来编程充电定时器，公式为：

TchargeCttcKttc

Cttc是TTC管脚到GND之间的电容，范围是0.01uF到0.11uF。Kttc是常量（5.6min/nF）。 当以下其中一个条件发生时，初始化一个新的充电周期，复位安全定时器。 ·电池电压低于再充电阈值； ·上电复位（POR）发生； ·CE切换。

TTC管脚能被拉低来使终止和安全定时器无效。如果TTC上拉到VREF，bq24610/7将继续允许终止，但使安全定时器无效。TTC拉低将复位安全定时器。 6、上电

由于VCC既可以由电池供电，也可以由适配器供电，所以b q24610/7利用SLEEP比较器来判断VCC的电源。如果VCC电压大于SRN电压，bq24610/7将使能ACFET，使BATFET无效。如果所有其他条件都满足充电，bq24610/7会尝试给电池充电。如果SRN电压高于VCC，则要求电池作为供电源，bq24610/7使能BATFET，进入一个最小电池漏电的低静电流睡眠模式。

如果VCC低于UVLO阈值，芯片无效，ACFET关闭，BATFET打开。 7、使能充电与否

在使能充电之前，以下条件必须有效： ·CE高电平；

·芯片不在UVLO（Under-Voltage-Lockout）或VCCLOWV模式； ·芯片不处于SLEEP模式；

·VCC电压低于AC过压阈值（VCC·REGN LDO和VREF LDO电压都在正确的电平值； ·热关闭（TSHUT）无效； ·检测不到TS有错；

以下其中一个条件发生将停止继续充电： ·CE低电平；

·移走适配器，引发芯片进入UVLO,VCCLOWV或SLEEP模式； ·适配器过压；

·REGN或VREF LDOs过载； ·达到TSHUT芯片温度阈值；（145℃）

·TS电压超出范围表示电池温度太高或太低； ·TTC安全定时器超时。

变换器操作

同步降压PWM变换器利用一个具有前馈控制原理的固定频率电压模式。Ⅲ型补偿网络允许在变换器的输出端接陶瓷电容。在反馈输出端（FBO）与误差放大器输入端（EAI）之间内部连接补偿输入级。在误差放大器输入端（EAI）与误差放大器输出端（EAO）之间连接反馈补偿级。选择LC输出滤波器来产生12KHz-17KHz的共振频率，共振频率fo公式：

fo12LoCo

比较内部锯齿斜波和内部EAO误差控制信号来改变变换器的占空比。斜波高度是适配器电压输入的7%。当确保N通道上的芯片一直有足够的电压，内部门驱动逻辑允许达到99.5%占空比。如果BTST到PH电压低于4.2V不止3个周期，然后高边N通道电源MOSFET将关闭，低边N通道电源MOSFET打开，来下拉PH节点和重新给BTST电容充电。接着高边驱动恢复到100%占空比操作，直到检测电压（BTST-PH）再次由于漏电未充电BTST电容低于4.2V而下降，然后复位脉冲重新发出。

在所有输入电压、电池电压、充电电流和温度条件下，固定频率振荡器保持开关频率的严格控制，简化输出滤波设计和保持它在可听噪音区域范围外。