新型高性能锂离子电池充电器的设计方案

锂离子电池作为现代电子设备的主要电源，其充电器的设计对于电池的性能、安全性和寿命至关重要。本文将详细介绍一种新型高性能锂离子电池充电器的设计方案，重点探讨主控芯片的选择及其在设计中的作用。

一、总体设计方案

新型高性能锂离子电池充电器设计的主要目标是实现高效充电、电池保护、电量计数、电源控制、计时以及对电池组的识别等功能。为了实现这些功能，整个充电器由以下几个主要部分组成：

1. 主控芯片：负责充电控制、电量计量、电池保护等核心功能。

2. 辅助芯片：如实时时钟（RTC）、电池保护器等，用于提供附加功能。

3. 外围电路：包括滤波电容、保护电阻、MOSFET等，用于对干扰信号滤波、ESD保护及电池安全保护。

二、主控芯片型号及其作用

1. DS2770和DS2720

DS2770和DS2720是德州仪器（TI）推出的高性能电池管理芯片，广泛应用于锂离子电池充电器和电池组中。

DS2770：

• 功能：DS2770是一款集成了电池电量计量和锂离子或镍基电池充电控制器的新型芯片。它不仅可以实现电池的充电控制，还能精确测量电池的电量，并提供电池温度、电压等关键参数的监测。

• 特点：

• 内置可选择的25mΩ检测电阻，用于充电电流测量。

• 内置的测量电路能检测电压和温度值，作为充电终止的判据和安全充电环境的判据。

• 所有测量结果保存在16字节的SRAM存储器中，40字节的EEPROM留给用户使用。

• 通过标准的l－Wire通信接口与主系统交换信息。

• 低功耗设计，工作状态耗电仅为80μA，静态消耗电流为0.5μA。

• 引脚功能：

• UV：电池电压检测为低值时的输出端，低电平有效。

• CC：充电控制输出，低电平有效。

• Vch：充电电压输入。

• SNS：电流检测电阻连接端。

• Vdd：芯片电源端。

• Vss：地端。

• DATA：数据输入/输出端。

• LS1与LS2：电流检测输入端。

• Vin：电池电压检测输入。

DS2720：

• 功能：DS2720是一款电池保护器，主要用于保护单体锂离子或锂聚合物电池免受过量充电、过量消耗、过高放电电流以及过高温度损害等。

• 特点：

• 具有涓流充电功能，可恢复已深度放电的电池。

• 低功耗设计，工作状态耗电仅为12.5μA，静态消耗电流为1.5μA。

• 引脚功能：

• PLS：电池组的正端输入。

• PS：系统（功率）开关检测输入，低电平有效。

• DQ：数据输入/输出。

• CP：电量储存容量。

• CC：充电控制输入。

• DC：放电控制输出。

作用：

DS2770和DS2720的组合使用，可以实现高性能的充电控制、电池保护和电量计量功能。DS2770负责充电控制、电量计量和电池参数的监测，而DS2720则提供电池的安全保护功能。两者通过标准的l－Wire通信接口与主系统交换信息，确保充电过程的稳定性和安全性。

2. LTC4007EGN

LTC4007EGN是Linear公司推出的一款锂离子电池智能充电控制器，依据锂离子电池特性定制，具备多种功能。

功能：

• 对三节或四节锂离子电池组进行大电流恒流、恒压、定时充电。

• 过热保护功能。

• 交流适配器电流限制功能。

• 充电电流输出监测。

• 工作状态标示：充电、C/10充电电流、适配器连接、电池低电压、输入电流限制、故障。

特点：

• 转换效率高达96%。

• 输出最大电流超过4A。

• 充电电压精度可达±0.8%。

• 同步、准恒定频率、恒定关断时间的PWM控制结构，在使用陶瓷电容的情况下也不会产生噪声。

• 利用电流设置电阻可以将充电电流精度控制到±5%。

作用：

LTC4007EGN以其高效、精确的充电控制功能，特别适用于对锂离子电池组进行大电流充电的应用场景。其小型SSOP24封装也使其特别适合应用于集成度高、电路板空间有限的场合。通过精确控制充电电流和电压，LTC4007EGN可以有效降低电池过充的风险，提高电池的安全性和寿命。

三、充电组合电路的设计

1. 电路组成

整个充电组合电路由DS2770充电控制器/电量计、DS2720电池保护器、DS2415实时时钟（RTC）三个芯片组成。它们均公用一个地（VSS或Gnd）、电源（Vdd）和通信线（DQ或DATA）。

2. 充电过程控制

DS2770利用简单的限流型电源给电池充电。通过控制外部PNP晶体管Vp1和Vp2，DS2770能以恒定电流给锂离子或锂聚合物基的电池组进行均充电，直到电压上升到工厂设定的4.1V或4.2V限值。然后，它以脉冲充电方式注满电池。DS2770还提供了一个辅助的充电终止控制，即当电池温度超过+50℃或电池的充电时间超过用户设定的最大充电时间时均能终止充电。

3. 电池保护特性

应用外接的二只N沟道MOSFET（如IRF840）Vp3与Vp4和DS2720芯片来实现对单体锂离子或锂聚合物电池的安全保护。DS2720具有涓流充电功能，可恢复已深度放电的电池。主系统软件还能够通过DS2720与DS2770芯片的引脚DQ检测到电池产生故障的原因，并由主系统向用户报告。

4. 充电电量计数

DS2770也可用作一个高精度电量计。电流测量通过一个内部的25mΩ检测电阻实现，其最低分辨率为62.5μA，动态范围高达±2A的平均电流。在GSM/CDMA应用中，DS2770可十分容易地跟踪放电电流，其内部的自动补偿功能可在芯片整个工作范围之内保持测量的精确度，并能对所累加的电流、电压和温度进行实时测量。再加上保存于DS2770内EEPROM的电池特性数据，使得主系统处理器能够精确计算出电量，同时仅消耗很少的系统资源。

四、附加功能设计

1. 实时时钟（RTC）

DS2415实时时钟（RTC）用于提供准确的时间信息，可用于记录电池的充电时间、放电时间等关键参数，有助于优化充电策略和电池管理。

2. 数据通信接口

DS2770和DS2720通过标准的l－Wire通信接口与主系统交换信息。这种通信方式不仅简化了电路设计，还提高了数据传输的可靠性和稳定性。

3. 过充、过放、过热和短路保护

现代锂电池充电器通常还具备过充、过放、过热和短路保护功能，以确保电池的安全性和寿命。这些保护功能可以通过软件设置和硬件电路相结合的方式实现。

五、设计总结

新型高性能锂离子电池充电器的设计方案采用了DS2770和DS2720作为主控芯片，结合LTC4007EGN等辅助芯片，实现了高效充电、电池保护、电量计数、电源控制、计时以及对电池组的识别等功能。通过精确控制充电电流和电压，以及提供多种保护功能，该充电器可以有效降低电池过充的风险，提高电池的安全性和寿命。同时，该设计方案还具有体积小、重量轻、易于携带等优点，适用于多种电子设备。

综上所述，新型高性能锂离子电池充电器的设计方案不仅满足了现代电子设备对电池充电器的高要求，还为电池管理技术的发展提供了新的思路和方法。随着科技的不断发展，相信未来会有更多更高效、更智能的电池充电器问世，为人们的生活和工作带来更多便利。