自制USB接口供电的手机电池充电器电路

自制USB接口供电的手机电池充电器电路

1.自制USB接口供电的手机电池充电器电路 篇一

随着便携式电子设备的发展,其对电池性能、体积、质量的要求也日益提高.锂离子电池以高能量密度、高电池电压、高循环次数、体积小、质量轻等特性脱颖而出,取代传统的镍铬和镍氢电池,迅速成为市场主流.

随着锂离子电池的广泛应用,其使用方法和技术得到人们越来越多的重视.锂离子电池对充电供电控制和保护电路的要求较高,在使用过程中应严格避免出现过充、过放、过流等现象.与镍氢、镍镉电池不一样,锂离子电池必须考虑充电、供电时的安全性.在过度充电状态下,电池温度上升后能量将过剩,由于电解液分解而产生气体,致使内压上升而产生自然或破裂的情况,而在过度供电状态下,电解液分解导致电池特性和耐久性劣化,降低电池可充电次数[1].根据锂离子电池特性,采用8031单片机对锂离子电池进行充供电保护,并对其充供电原理、保护方法、参数设置和应用中出现的问题进行了分析.

1 锂离子电池充电供电的保护条件

锂离子电池允许充电的电压范围是:每节电池2.5~4.2 V.如果电池电压超出允许的范围,则禁止充电.

锂离子电池供电的安全电压下限为2.4 V,在低于2.4 V条件下继续供电将对电池造成永久性的损坏.电池进行持续供电时,电池电压会不断降低,当电压低于过供电保护电压即2.4 V时,应当关闭电池供电回路,禁止其对外继续供电,避免电池损坏.但切断供电进行保护时,必须配合适当延迟时间,以避免干扰而造成误判断.

当电池供电电流过大,超出其额定功率,电池会产生较高的热量,致使本身温度过高,有爆炸的危险.所以此时保护电路应该关闭电池供电,执行过流保护功能.至于保护时电流的大小,则根据电池的额定功率和负载的大小加以设定.值得注意的是:保护电路不能因为负载需要短时间的大电流而误动作,所以必须提供不同的过供电电流保护延迟时间,以提高电路工作的稳定性.

2 锂离子电池充供电保护电路原理

锂离子电池充供电保护电路原理图如图1所示.保护电路以8031单片机为控制核心[2],监测电池电压与回路电流,并控制2个MOSFET的栅极,MOSFET在电路中起开关作用,分别控制着充电回路与供电回路的导通与关断,该电路具有过充电保护、过供电保护、过电流保护与短路保护功能[3].

2.1 正常状态

在正常状态下电路中P1.4和P1.5口都输出高电压,2个MOSFET 都处于导通状态,电池可以自由地进行充电和供电,由于MOSFET 的导通阻抗很小,通常小于60 mΩ,因此其导通电阻对电路的性能影响很小[4].

2.2 过充电保护

锂离子电池要求的充电方式为恒流/ 恒压,在充电初期,为恒流充电,随着充电过程,电压会上升到4.2 V(根据正极材料不同,有的电池要求恒压值为4.1 V),转为恒压充电,直至电流越来越小.

电池在被充电过程中,如果充电器电路失去控制,会使电池电压超过4.2 V后继续恒流充电,此时电池电压仍会继续上升,当电池电压被充电至超过4.3 V 时,电池的化学副反应将加剧,会导致电池损坏或出现安全问题.所以当电池电压达到4.28 V时,比较器LM139翻转,单片机P1.0采到低电平,控制P1.5由高电平转为低电平,使Q2 由导通为关断,从而切断了充电回路,使充电器无法再对电池进行充电,起到过充电保护作用.而此时由于Q2 自带的体二极管V2 的存在,电池可以通过该二极管对外部负载进行供电.

在单片机检测到电池电压超过4.28 V至发出关断Q2信号之间,还应有1 s左右延时,以避免因干扰而造成误判断.

2.3 过供电保护

电池在对外部负载供电过程中,其电压会随着供电过程逐渐降低,当电池电压降至2.5 V时,其容量已被完全放光,此时如果让电池继续对负载供电,将造成电池的永久性损坏.电池供电时,当电池电压低于2.5 V时,P1.1采到低电平,控制P1.4由高电平转为低电平,使Q1 由导通转为关断,从而切断了供电回路,使电池无法再对负载进行供电,起到过供电保护作用.而此时由于Q1 自带的体二极管V1 的存在,充电器可以通过该二极管对电池进行充电.在单片机检测到电池电压低于2.5 V至发出关断Q1信号之间,应有一段100 ms左右的延时,以避免因干扰而造成误判断.

2.4 过电流保护

由于锂离子电池的化学特性,电池供电电流最大不能超过2 C(C= 电池容量/h),当电池超过2 C 电流供电时,将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题.

电池在对负载正常供电过程中,供电电流在经过串联的2个MOSFET时,由于MOSFET的导通阻抗,会在其两端产生一个电压,该电压值U=I×RDS×2,RDS 为单个MOSFET导通阻抗.负载因某种原因导致异常,使回路电流增大,当2个MOSFET的压降U1超过正常压降U0.2 V时,P1.2采到低,P1.5由高电平变为低电平,使Q1 由导通转为关断,从而切断了供电回路,使回路中电流为零,起到过电流保护作用.在检测到过电流发生至发出关断V1信号之间,也有一段为13 ms左右延时,以避免因干扰而造成误判断.

2.5 短路保护

电池在对负载供电过程中,若回路电流大到使U1-U>0.9 V时,则判断为负载短路,INT1采到低,系统进中断,控制Q1由导通转为关断,从而切断供电回路,起到短路保护作用.短路保护的延时时间极短,通常小于7 μs.其工作原理与过电流保护类似,只是判断方法不同,保护延时时间也不一样.

3 软件设计

过充、过放和过流保护采用查询方式,一个程序周期内查询一次即可,短路保护采用中断方式,如果电池发生短路,立刻进入中断处理程序,关断Q1,实现对电池的及时保护,软件流程图如图2所示.

4 调试中注意的问题

(1)电阻的选择

设计中通过调节电阻的阻值来设定比较器的翻转条件,但是电阻阻值本身存在偏差,影响电压采集的精度,所以在电阻的选择上要选择高精度、大阻值的电阻,来减小误差.

(2)过充电保护后的供电保护在过充电保护后,Q2被关断,电池通过V2对系统供电,这时2个MOSFET之间的电压U=I×RDS+V2,V2为二极管的管压降,如果I×RDS≈V2此电路可正常应用,否则应另建一条采集通路,进行供电保护.

5 结 束 语

市面上的电池保护电路多以控制IC为主,如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、台湾富晶的FS312和FS313 系列、台湾类比科技的AAT8632 系列等等,但此类IC都存在环境适应性差,可控制范围窄等缺点.依据锂离子电池特性,提出了一种新型的保护方法,可使对锂离子电池的保护在以单片机为核心的系统下得以实现,该方法外围电路简单,占用系统资源少,并可根据电池特性的差异,在软件和硬件上进行微调,具有很强的可扩展性和实用性.为电路设计人员提供了一种新的参考.

参考文献

[1]路秋生.锂离子电池充电保护集成电路UCC3957[J].电子产品世界,2004:64-66.

[2]王俊,王洪艳.电源综合保护设计[J].光电技术应用,2005,20(2):64-66.

[3]孙涵芳,徐爱卿.单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996:20-25.