目前市面上的充电管理 IC,都是按照充电电池的充电特性来设计的。充电电池根据充电介质不同,分为镍氢电池,锂电池等。由于锂电池没有记忆效应,所以目前在各种手持设备和便携式的电子产品中,都采用锂电池供电。 由于锂电池的充电特性。充电过程一般分为三个过程:

 

1、涓流充电阶段(在电池过渡放电,电压偏低的状态下) 锂电池一般在过渡放电之后,电压会下降到 3.0V 以下。锂电池内部的介质会发生一些物理变化,致使充电特性变坏,容量降低等。在这个阶段,只能通过涓涓细流缓慢的对锂电池充电,是锂电池内部的电介质慢慢的恢复到正常状态。

 

2、恒流充电阶段(电池从过放状态恢复到了正常状态) 在经过了涓流充电阶段后,电池内部的电介质可以承受较大的充电电流,所以这个时候外部可以通过大一点的电流对锂电池充电,以此缩短充电时间。 这个阶段的充电电流一般靠充电管理 IC 外部的一个引脚外接一个电阻来决定。阻值大小则根据充电管理 IC 的 datasheet 上的公式来计算。

 

3、恒压充电阶段(已经充满 85%以上,在慢慢的进行补充) 在锂电池的电容量达到了 85%时候(约值),必须再次进入慢充阶段。使电压慢慢上升。最终达到锂电池的最高电压 4.2V。

 

一般来说,锂电池都有一个 BAT 的引脚输出,这个 BAT 是连接到锂电池端的。同时这个引脚也是锂电池电压检测引脚。锂电池充电管理 IC 通过检测这个引脚来判断电池的各个状态。 在实际的便携式产品电路设计中,由于要求电池充电过程中,产品也要能够正常适用。所以设计中采用以下电路方式实现才是正确的方式:

 

图一 A210 电源供电图

 

外部电压 5V 通过 D2 送到开关 SW2, 同时通过充电管理 IC MCP73831 来送到锂电池。SW2 的左边点电压为 5V-0.7V=4.3V。由于锂电池的电压不管在充满电或者非充满状态的时候,都低于 SW2 左边点电压 4.3V。所以 D1 是截止的。充电管理 IC 正常对锂电池充电。

 

假如不加二极管 D2 和 D1, 后级 LDO RT9193 直接接在 BAT 引脚输出上,则会是充电 IC 在通电的时候,会产生误判。会出现接上 5V 的外接电源,但是锂电池不会进行充电,充电管理 IC 的 LED 灯指示也不对。后级负载 LDO 也不会得到正常的输入电压(输入电压很小)。在这种情况下,只要将充电管理 IC 的电压输入脚直接对 BAT 引脚短路连接一下,所有状态又正常,充电能进行,后级负载 LDO 工作也正常。

 

这是由于充电管理 IC 在接上电的瞬间,要检测 BAT 的状态,将 LDO 的输入引脚也连接到了 BAT 和锂电池正极连接的支路中,会影响到 BAT 引脚的工作状态,致使充电管理 IC 进入了涓流充电阶段。将 BAT 引脚和充电管理 IC 的电压输入短路连接一下,使 BAT 引脚的电压强制性的升高,使充电管理 IC 判断为锂电池进入了恒流充电阶段,所以输出大电流。能够驱动后级负载 LDO 等。

 

另外:为了提高电源的利用效率,D1 和 D2 要选用压降小的二极管。如锗二极管,肖特基二极管,MOSFET 开关管。在需要电池切换的设计中,具有 10mV 正向压降、没有反向漏电流的二极管是设计人员的一个“奢求”。但到目前为止,肖特基二极管还是最好的选择,它的正向压降介于 300mV 到 500mV 之间。但对某些电池切换电路,即使选择肖特基二极管也不能满足设计要求。对于一个高效电压转换器来说,节省下来的那部分能量可能会被二极管的正向压降完全浪费掉。为了在低电压系统中有效保存电池能量,应该选择功率 MOSFET 开关替代二极管。采用 SOT 封装、导通电阻只有几十毫欧的 MOSFET,在便携产品的电流级别下可以忽略其导通压降。

 

决定一个系统是否必需使用 MOSFET 来切换电源,最好对二极管导通压降、MOSFET 导通压降和电池电压进行比较,把压降与电池电压的比值看作效率损失。例如,把一个正向压降为 350mV 的肖特基二极管用来切换 Li+电池(标称值 3.6V),损失则为 9.7%,如果用来切换两节 AA 电池(标称值 2.7V),损失为 13%。在低成本设计中,这些损失可能还可以接受。但是,当使用了高效率的 DC-DC 时,就要权衡 DC-DC 的成本和把二极管升级为 MOSFET 带来的效率改善的成本。

 

选不选用肖特基二极管和 MOSFET,还要考虑到产品上所用电池的放电特性。锂电池的放电特性如下图:

 

 

从上图可以看出,锂电池在常温状态下,消耗了 90%的电量的时候,电压还是会保持在 3.5V 左右,选择一个好点的 LDO 器件。 那么在 3.5V 的时候,输出电压还是会稳定在 3.3V.

 

从实际测试 LDO RT9193 来看,负载电阻在 50 欧姆,负载电流 60mA 的时候,输入电压和输出电压关系如下表所示:

 

 

可以看出,即使是锂电池消耗了 90%的电量的时候, LDO 的输出端依然可以稳定输出 3.3V. 从图一 A210 的供电电路分析,加上硅二极管 D1 以后, LDO 输入电压=3.5---0.7V=2.8V. 这样只要模块烧录可以在 2.4V 左右工作的程序,硅二极管也可以在此电路中使用了。

 

不过, 从电路性能上来考虑, 使用锗二极管或者肖特基二极管是最好的选择。

 

具体采用什么电路设计,还需要根据自己的产品其他电路工作电压范围和特性, 成本等几方面考虑了 .