一款USB接口的鋰離子電池充電電路設計方案

摘要：

個人電腦(PC機)已得到廣泛應用，而USB接口也已成為PC機上的標準外設接口之一。另一方面，使用鋰離子電池的手機、數碼相機、MP3播放器等便攜設備大量涌現。如何利用隨處可見的電腦USB接口為這些設備所用的鋰離子電池充電，是目前USB接口應用的一個熱點。

鋰離子電池及USB接口概述

鋰離子(Li-ion)電池，簡稱鋰電池，是近年來逐漸普及使用的一種新型電池，具有體積小、重量輕、容量大(能量密度高)、自放電率低以及無記憶效應等優點，但同時它也有一些致命的缺陷:對充電、放電的要求比較苛刻，不能過充和過放，否則容易造成不可逆轉性損壞，在短路、過充等極端情況下還有可能發生爆炸，產生危險。

一般鋰電池單節標稱電壓為316～317V，充電時，一般要求采用限壓限流法，首先恒流充電，即電流一定，充電電流按國家標準規定的低倍率充電是 0.2C(仲裁充電制式)，最大不超過1C;而電池電壓隨著充電過程逐步升高，當電池端電壓達到終止電壓412±0105V時，應改恒流充電為恒壓小電流 (約011C)充電，這個狀態一般稱為涓流充電狀態。充電電流根據電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續逐步減小，當減小到0101C時，認為充電終止。

USB接口是英文UniversalSerialBus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它是一種應用在PC領域的新型接口技術。USB使用一個4針插頭作為標準插頭與外部設備進行連接。在這個4針插頭中， 有兩針為數據通信線，而外側的兩針則為外部設備提供電源。按照USB規范，每個USB接口應能提供500mA的電流輸出;由USB主機或帶電源的集線器提供的USB接口，所接外設端的最小可用電壓為4.5V，而由USB總線驅動的集線器能提供的最小則應為4.35V。值得注意的是，雖然USB規范定義了提供的電流上限不得超過015A，但實際上USB端口輸出的電流經常超過幾安培。

由以上分析可以看出，利用USB接口為鋰電池充電，電流方面應該是足夠的，關鍵是如何控制電流的大小。另外，使用電壓最小為4.35V的USB接口給典型要求為4.2V的鋰電池充電時，電壓上只有很小的裕度，這使得充電電路的壓降變得極為重要，是設計的難點。

基于PC機USB接口充電電路設計方案

(1)方案一

圖1是市面上的一些“USB充電線”的內部電路。其主要原理是利用電阻限定最大電流，利用二極管的壓降(約0.7V)把USB接口5V左右的輸出電壓降到 4.2V左右然后對鋰電池充電。這個電路具有簡單、成本低的優點，但缺點也是顯而易見的：充電電流和充電電壓因USB接口的不同以及電池狀態的不同而有所不同，基本上無法把握，在很多時候電池極有可能充不滿(充電電壓達不到4.2V)，而有時候則可 能會過充而損壞電池。這個電路對一些內部具有完善保護電路的鋰電池來說尚可接受，而對普通鋰電池則有一定危險性。

(2)方案二

圖2是由MAX1551/1555構成的一種實用USB鋰電池充電電路。MAX1551/1555是MAXIM公司設計生產的USB單節鋰電池充電芯片，為5引腳薄型SOT23封裝，允許USB接口或者墻壁AC適配器3.7V～7V范圍的電壓輸入。芯片內部還具有溫度限制電路。

對于這個電路，當連接到USB口、但無墻壁AC適配器的DC電源時，充電電流被設定為100mA(最大值)。這樣在不需要端口通信的情況下，就允許從供電的 或未供電的USB口充電。當DC電源接通后，充電電流被設定為280mA(典型值)，同時USB接口的輸入自動被切斷。如果兩個輸入端都無電壓輸入，電路 則自動截止，這時電池的反向漏電流小于5uA，無需外加二極管來防止電池漏電而發生損耗。

當電池電壓低于3V時，會進入充電電流被限定為40mA的預充電模式(涓流充電狀態)，只有當電池被充到3V以上時才進入正常的充電模式(100mA或 280mA)。這樣的模式保護了深度放電的電池。圖3和圖4分別是用DC電源盒USB接口作為輸入的電池電壓與充電電流的關系曲線。

另外，對于MAX1551“，/POK”用于指示輸入電源是否接通(輸入電壓3。95V時輸出低電平);而對于MAX1555“，/CHG”用于指示充電狀態(當充電電流大于50mA時輸出低電平)，其他的特性參見MAX1551/1555的數據手冊。

(3)方案三

應該說，方案二是一個安全、各方面考慮比較周全和完善的USB鋰電池充電方案。但該方案的缺點在于：充電電流被固定在100mA或280mA左右，特別是在 USB接口供電時，只能是100mA的充電電流對于容量較大電池來說，需要花費相當長的充電時間。另外一個缺點是沒有充電定時功能，充電的結束與否不能進行人為控制。圖5是另一個實用USB接口充電電路，使用LTC4053作為設計核心，既保持了方案二的優點又解決了上述不足。

LTC4053是凌特(Linear)公司推出的一款可以從一個USB接口直接供電的鋰離子電池用獨立型定時終止恒流/恒壓線性充電器IC，為10 腳MSOP封裝。可以直接由USB接口對單節鋰電池進行充電，也可以允許使用墻壁AC適配器的DC電源作為供電電源。所需的輸入電壓范圍是 4.25V～6.5V。包括一個片內功率MOSFET管。這個芯片的最大特點是允許設計者自行設定充電電流和充電時間，充電終止電壓則已預設為4.2V。

在圖5中，充電電流是由LTC4053的PROG(7)引腳上的電阻R來設定的，其計算公式為:R=1500V/ICHG，例如要設定的充電電流為 500mA，則R=1500V/015A=3kΩ。充電電流最大可設為1125A。圖6為充電電流與電池電壓的關系曲線圖。

LTC4053的TIMER(4)引腳上的電容C用于設定充電時間，計算公式為:T(小時)=C(uF)?3/011uF。當C=011uF時，充電時間為3小時。

這個電路具有類似方案二預充電模式的涓流充電模式，并特有故障電池檢測功能：當電池電壓低于2.48V時，以全標度電流的10%涓流充電;如果這種狀態持續的時間超過總充電時間的四分之一，則認為電池已損壞而停止充電循環。

LTC4053本身具有完善的溫度檢測和補償、調整功能，可以允許用戶安全地以較大電流充電從而大大減少充電時間，圖7為充電電流與環境溫度的關系曲線圖。同樣，當LTC4053無電壓輸入時，電路能自動截止，反向漏電流小于5uA，無需外加二極管來防止電池漏電，避免了電池的損耗。

LTC4053還具有完善的控制、狀態指示等功能，具體的請參考芯片手冊。

結語

毫無疑問，在這三個方案中，第三個方案的功能是最完善，其設計應用的靈活性也最大的，但芯片的引腳較多，器件成本可能也比別的方案要高些。在實際中，我們可以根據用途、成本等實際情況來選擇不同的方案以滿足不同的要求。隨著集成電路技術的發展、新器件的不斷推出，我們相信會有更多更好的USB充電方案出現。