多种锂离子/锂聚合物电池集成解决方案

泰西詹

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工业医疗设备、机器人吸尘器、无人机和大功率扬声器等电气设备都需要多芯电池充电器来供电。传统的多芯电池充电器的解决方案是由几个独立的功率mosfet和多个辅助组件组成。

图1显示在传统的解决方案中，设计人员需要至少两个功率MOSFET的功率转换器，和一个功率MOSFET，以防止电池电量回流到输入。控制回路包括传感电路、补偿电路、PWM发生器和驱动器是必不可少的。此外，系统需要电路提供保护，显示输入源或操作条件的任何变化，以及其他功能。

图1:多芯电池充电器的传统解决方案

这些分立元件导致了复杂的设计过程、高故障率、大板尺寸和高BOM成本。传统的解决方案需要改进。

为了提高产品质量、降低故障率和节省设计成本，集成解决方案是必要的发展。半集成或完全集成的解决方案可以解决传统的多芯电池充电器解决方案面临的问题，并加快上市时间。

图2展示了一个半集成的解决方案。在该方案中，所有的控制回路(包括保护和指示)都集成在一个专用的集成电路中，无需设计补偿参数、编写复杂的代码或绘制复杂的PCB布局，从而缩短了设计过程。然而，离散mosfts仍然会导致电路板尺寸的问题。

图2:半集成解决方案

在一个完全集成的解决方案中，三个具有低传导电阻的功率mosfet和所有控制回路集成在一个器件中(见图3)．这大大缩短了设计过程，减少了BOM大小，并优化了效率。

图3:完全集成解决方案

表1列出了集成bom与传统解决方案的对比。集成解决方案(特别是完全集成的解决方案)大大减小了电路板的尺寸。

组件	完全集成	半集成	传统的
充电器集成电路	1	0	0
功率场效应晶体管	0	3.	3.
电感器	1	1	1
感应电阻	1	2	2
专用控制IC	0	1	0
司机	0	0	3.
放大器和比较器	0	0	几个(5到10个)
单片机	0	0	1
大组件总数	3.	7	15至20岁

表1:集成解决方案与传统解决方案的bom

创新

完全集成的多芯电池充电器有很多优点。例如，MPS的MP2759是一款高度集成的开关充电器，专为1芯至6芯系列锂离子或锂聚合物电池组充电应用而设计。188比分直播吧该IC将三个功率mosfet和模拟控制电路集成到一个3mmx3mm的封装中，只需很少的外部电路即可可靠安全地运行。

全集成充电系统

图4展示了一个完全集成解决方案的典型应用电路。它的功率级只需要一个电感和三个电容器，外部元件很少，就实现了完整的充电功能。

图4:全集成解决方案典型应用电路

现代电池充电器对电池组的充电分为四个阶段:涓流充电、预充电、恒流充电和恒压充电(见图5)．所有控制回路集成在设备中，充电快速、简单、可靠。

图5:典型的电荷分布

由于集成mosfet的低传导电阻，完全集成的解决方案，如MP2759具有高达97%的高效率(见图6)．这些解决方案还可以提供出色的热性能，如MP2759，外壳温升可达42.3°C(见图7)．

图6:MP2759效率曲线

(试验条件:L = 10µH/35mΩ， RSNS = 20mΩ)

图7:热性能评估

(测试条件:VIN = 36V, VBATT = 24V, ICC = 2A, fSW = 700kHz, L = 10µH/35mΩ， RSNS = 20mΩ，燃烧20分钟)

(板信息:63.5mmx63.5mm, 4层，2盎司/层)

简单外接电路功能扩展

电源路径管理

理想情况下，集成解决方案应该支持电源路径管理，以便优先考虑系统轨道的电源。MP2759采用一种常用的电源路径管理方法。在电池和系统之间连接一个外部p通道MOSFET，也称为BATTFET，系统负载施加在midd引脚上，BATTFET的栅极由IN引脚信号驱动(见图8)．

图8:电源路径管理

当没有输入源时，BATTFET打开，电流从电池流向系统。当有输入源时，BATTFET关闭，系统的电源由输入源通过Q1提供。如果通过Q1的总输入电流达到ILIM引脚设置的预设输入限流，则充电电流减小以优先分配系统负载。

作为示范，图9和图10显示波形描述功率路径管理的性能MP2759．

图9:电源路径管理启动和关闭

(试验条件:VIN = 16V, VBATT = 8V, IIN_LMT = 2A, ICC = 3A, ILOAD = 1A)

图10:IIN_LMT在电源路径管理中达到预设输入电流限制

(试验条件:VIN = 36V, VBATT = 8.48V, IIN_LMT = 1A, ICC = 2A)

利用单片机实时微调充电电流

许多电池供电的设备必须能够实时调整充电电流，以微调其性能。这是因为电池和电池组制造商指定不同的充电电流限制，取决于每个电池的温度和电压。大多数集成多芯电池充电器使用一个连接到电流设置引脚(通常称为ISET引脚)的电阻来调节充电电流，而不是使用更昂贵的I2C。

用一个电阻调节充电电流有两种常见的方法:

流过电阻器的电流以恒定电压读取。
当电流保持恒定时，电阻上读取电压。

下面我们就来探讨一下基于方法一的集成充电方案如何实时调节充电电流。图11ISET引脚的等效电路。

图11:ISET引脚等效电路

充电器可以通过ISET引脚和AGND之间的电阻(RISET)调节充电电流。ICHG可由式(1)计算:

$$I_{CHG} = \frac{R_{CONS}}{R_{ISET}}$$

在R_缺点R的值是多少_ISET当我_CHG= 1。

从等价的R_ISET电路(见图12)时，改变等效R是可行的_ISET通过一个MCU修改PWM的占空比。这使得充电电流可以实时改变。

图12:等效RISET电路

接下来，等价的R_ISET(REQ)可由式(2)、式(3)计算:

$ $ R_ {EQ} = \压裂{V_{缺点}R_1 G_ {123}} {V_{缺点}G_{123} - - - - - -(\压裂{责任×V_ {M \ _PWM}} {R_2} + \压裂{V_{缺点}}{R_1})} $ $ $ $ G_ {123} = {1 \ / R_1} + {1 \ / R2} + {1 \ / R_3} $ $

在V_缺点为ISET引脚恒压，为PWM占空比，V_{M_PWM}为PWM幅值(通常为3.3V左右)。注意，在式(1)(2)(3)中，R_情商必须大于0;否则,我_CHG是0。

为了设计一个完全集成的系统，标准参数(R₁, R₂, R_3.C_ISET)可通过以下公式和步骤进行估计:

首先，最大充电电流(R_{MAX_ICHG})由式(4)计算:

$$ r_ {max \ _ichg} = r1 + r2 / r3 $$

然后选择一个合适的R₁式(5):

$$ r_ {1} = 0.5r_ {max \ _ichg}$$

接下来,R₂和R_3.可由式(6)计算:

数组$ $ \ biggl \{\开始{}{1}R_2 / / R_3 = R_{马克斯\ _ICHG} -R_1 \ \ \压裂{马克斯\ _DUTY \空间x \ V_ {M \ _PWM} - V_{缺点}}{R2} = \压裂{V_{缺点}}{R_3} \{数组}$ $

其中MAX_DUTY为充电电流降至0A时的最大PWM占空。建议为占空比的80%左右。

最后，选择一个合适的C_ISET将PWM信号滤波为直流信号。C_ISET可由式(7)估计:

$$ \frac {1}{2\pi (R_2//R_3)C_{ISET}}<< f_{PWM}$$

其中fPWM为PWM频率。

锂离子和锂聚合物电池的理想解决方案应该在充电电流和PWM占空比之间提供良好的线性关系，以及宽的占空有效范围。例如，MP2759提供0%到82%的范围(见图13)．

图13:充电电流与PWM占空比

此外，当充电电流变化时，MP2759不会经历过冲或欠冲(见图14)．当PWM占空比为50%时，该器件可以正常启动和关闭(参见图15)．

a) PWM占空比下降65% ~ 10%

b) PWM占空比上升10%至65%

a) VIN启动

图14:充电电流在0.5A到2.4A之间的转换

b)充电启用

c)停止收费

图15:50% PWM占空比的启动和关闭波形

功能-保护和指示

对于充电系统和集成电路来说，保护电池至关重要。为了保证安全操作，推荐的保护措施包括电池和输入过压保护、电池温度保护、热关机、安全计时器以及根据电池电压调节充电电流的能力。完全集成的保护电路减少了此类保护所需的集成电路数量。

的MP2759具有ACOK和STAT引脚，指示输入源状态和IC操作状态。设计人员可以监测这些引脚上的信号，以确定设备是否正常充电。表2显示了不同输入源和运行条件下的ACOK和STAT状态。

在	充电状态	ACOK	统计
Absend	NA	Hi-Z	Hi-Z
现在	在充电	低	低
现在	充电完成，充电关闭	低	Hi-Z
现在	NTC故障，安全定时器过期，电池OVP	低	2Hz闪烁

结论

与传统解决方案相比，完全集成的解决方案具有非常高的效率、众多的安全特性、更低的BOM成本和更短的设计周期。本文使用MPS的MP2759来演示集成解决方案的优势，该解决方案包括三个具有低传导电阻的功率mosfet，模拟控制回路，以及保护和指示等辅助功能。这样的集成解决方案可以帮助设计人员通过简单的外部电路实现电源路径管理和充电电流实时调整。