【个人经验分享】电池管理IC(Charger)了解一下?

为何锂电池需要电源管理?

现在市面上的电池设备越来越多,手机、手表、耳机、手环等设备均为电池供电,常用的是锂电池,但是锂电池的安全性没有足够好,为了能更安全的使用,需要专用的锂电池管理IC(Charger)来实现充电与放电。这里简单介绍一下电池管理芯片的工作逻辑

电池充电曲线

一般的锂电池充电IV曲线如下图分为4个阶段:

① 电池电压低于放电截止电压时,即此电池已经过放,此时采用涓流充电,涓流充电电流很小;

② 电池电压超过放电截止电压后,进入快速充电阶段,此阶段是恒流充电,电池电压不断上升一直持续到充电截止电压

③ 达到充电截止电压后,并不是停止充电,而是以充电截止电压来恒压充电,此阶段持续时间较长,随着电池容量增大,电流会缓慢减小(注意图示是IV曲线,所以体现不出缓慢下降),一直减小到充电截止电流

④ 充电电流减小到充电截止电流后,充电器停止为电池充电,一个充电周期结束。

最简单的电源管理IC

简单介绍一下最常见成本最低的电源管理IC。共有5个引脚,典型应用如下图:

CHRG是状态指示脚,他是一个开漏输出脚,在充电时会拉低,因此可以接LED指示充电状态。他的内部结构如下图:

PROG是充电电流设置引脚,PROG引脚与地之间的电阻器来设定的。电流充电电流是PROG引脚输出电流的1000倍。设定电阻器和充电电流采用下列公式来计算:其中Vprog=1V

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VBAT引脚接电池,VCC引脚接输入电压。
充电过程

充电循环开始。如果BAT引脚电平低于2.9V,则充电器进入涓流充电模式。在该模式中,以1/10的设定电流来充电,先将电池电压提升到放电截止电压2.9V。当BAT引脚电压升至2.9V以上时,充电器进入恒定电流模式,此时向电池提供恒定的充电电流。当BAT引脚电压达到充电截止电压(4.2V)时,则进入恒压模式,且充电电流开始减小。当充电电流降至设定值的1/10时,充电循环结束。

输入电压动态电源原理(VIN-DPM)

在电池管理IC(Charger)的应用中,Charger需要输入电源,一般是适配器,例如一个5V1A的适配器给系统供电,经过Charger管理给电池充电。

我们假设Charger给电池充电的电流是1.5A,电压是3.8V,由于适配器输出能力有限,他的输出电压会被拉低,即Charger的输入电压VIN会变小,假设VIN被拉低到了4V,如果没有VIN-DPM,随着充电电流继续增大,VIN会继续变小,VIN可能会低于3.8V,当VIN低于3.8V时,Charger的输出电压就低于3.8V了,而电池电压是3.8V ,这样充电就出问题了,无法再冲进去电。

而如果有VIN-DPM功能,假设触发阈值是4V,当VIN降到4V时,Charger就会减小输出电流,这样适配器的负载就会减小,输出电压就会回升了。

动态电源路径管理(DPPM)

动态电源路径管理是用来平衡Charger输出给后级系统负载的电压与充电电压。在DPPM加持下,无论电池是否耗尽,Charger只要接上适配器,系统负载都会立即获得电源。此外在DPPM的调节下,保证最快充电的同时,保证系统不会因为适配器功率小的原因导致系统掉电。

DPPM工作过程

1. 正常工况

在适配器输出能力足够的情况下,Charger一边给系统供电一边为电池充电。

2.系统负载增大

当系统负载增大,大于适配器的最大输出能力,VSYS电压会下降,下降至DPPM阈值,DPPM会减小电池充电电流,保证VSYS的供电能力。

3. 系统负载继续增大

    当减小充电电流到0也不足以满足系统供电要求时,VSYS电压会继续下降,当下降到低于电池电压时,电池开始反向为系统供电,以满足系统供电要求。

4. 系统负载又回到正常值

系统负载回到正常值后,Charger又正常给电池充电。

很多人容易搞混DPPM与VIN-DPM,网上有些人的介绍也不好理解,实际上两种是不同的概念,虽然都是适配器输出能力不足引起的调控,但VIN-DPM是在Charger的输入电压VIN不足时进行调控,而DPPM是在Charger的输出VSYS不足时进行调控

现在最新的手机很多已经支持反向供电了,他的原理可以参考双向BUCK-BOOST,搭配协议握手或者MCU控制实现双向的电流流向,如下图是充电方向:

如下图是放电方向:

那么常见的电池管理IC都是什么类型的DC-DC呢?

1.BUCK-BOOST,如上一条的支持双向充放电的就是BUCK-BOOST型,这种类型的效率高,支持的电池串联数多,当然价格相对也要昂贵

2.对于不需要双向充放电的低成本场景,更常见的是BUCK型

3.对于类似十几块的小风扇或者玩具这样的极低成本场景,还有更合适的LDO型,当然随之而来的就是发热严重,因此仅能进行小功率充电