鋰離子充電控制器bq2954

摘要：bq2954是美國TI公司生產的鋰離子電池充電控制芯片。文中介紹了bq2854的特點、功能及參數，給出了推薦工作條件，最后給出了采用bq2954設計的鋰離子電池充電控制器的實際應用電器。

關鍵詞：充電 鋰離子電池 檢測模式 脈寬調制 bq2954

1 概述

bq2954是美國TI公司生產的鋰離子電池充電控制芯片。該芯片在充電過程中，采用了PWM技術充電電壓和充電電流進行控制，能夠有效地降低系統功耗，其工作頻率可以通過外接電容進行設備。另外，該控制芯片還能對鋰離子電池提供有效的保護，只有當鋰離子電池的電壓和溫度都滿足設定條件時，芯片才轉入快速充電模式。如果電池電壓低于電壓的下限，bq2954將自動轉入涓流充電模式；bq2954是利用外接熱敏電阻來檢測電池溫度的。它的充電過程分為兩個階段：第一階段為恒流充電階段，第二階段為電壓控制階段。恒流充電階段能夠完成可充電池容量的70%，剩余的30%則在電壓控制階段完成。Bq2954具有顯示充電過程和充電故障狀態的特性，因而可使用戶準確及時地撐握充電器和鋰離子電池的工作狀態。

2 特點和引腳功能

2.1 特點

bq2954鋰離子電池充電控制芯片具有以下特點：

●采用PWM技術控制充電電流和充電電壓；

●可對高端/低端電流進行檢測編程控制；

●可通過設置最小充電電流來控制快充過程；

●可采用預充電模式來檢測電池故障；

●可通過設定溫度和電壓值來保證充電質量；

●可直接驅動LED以顯示充電狀態。

2.2 引腳功能

bq2954采用16腳窄DIP或SOIC封裝形式，它的各引腳排列如圖1所示，各引腳功能如下：

●TM（引腳1）：充電時間編程信號輸入端。通過該引腳上的電阻和電容可以設置最大充電時間；

●CHG（引腳2）：充電控制端。通過該端可以檢測電池是否充滿或是否從充電器中移走。當電池充滿、移走或發生故障時，芯片內部的開路輸出端將呈現低電平；

●BAT（引腳3）：電池電壓信號輸入端；

●VCOMP（引腳4）：電壓環路補償端。通過外接RC網絡來穩定充電電壓；

●ICOMP（引腳5）：電流信號補償端。通過外接RC網絡來穩定充電電流；

●ITERM（引腳6）：充電模式選擇端。用于度設置快速充電模式中止信號IFULL和IMIN；

●SNS（引腳7）：充電電流檢測信號輸入端。通過該腳上的外接檢測電阻可對電池電流進行檢測；

●TS（引腳8）：溫度檢測信號輸入端。用于檢測電池的溫度，并可通過外接電阻分壓網絡來設置溫度上限和下限閾值；

●TPWM（引腳9）：PWM工作頻率設置端。PWM工作頻率由外接定時接地電容來設置；

●BTST（引腳10）：電池檢測信號輸出端。當充電器中的電池被取出后，該端將被置為高電平；

●LCOM（引腳11）：LED公共輸出端；

●Vss(引腳12)：接地端；

●Vcc(引腳13)：接5V偏置電源端。

●MOD（引腳14）：充電電流控制信號輸出端。該端為脈寬調制推挽輸出端，用于控制充電電流的大小。當MOD為低電平時，充電電流將被中止；

●LED1/CSEL（引腳15）：充電狀態輸出端1/充電電流檢測位置選擇端。用于設定充電電流檢測端位于電池高端還是低端；

●LED2/DSEL（引腳16）：充電狀態輸出端2/充電檢測狀態顯示模式選擇端。

3 bq2954的原理功能

bq2954的內部功能框圖如圖2所示。

3.1 充電算法和充電條件檢測

bq2954采用兩階段快速充電算法。第一階段的充電電流保持恒定，在VBAT引腳上的電壓VBAT上升到內置閾值VREG時，充電過程轉入第二階段，此時，電壓保持恒定（VBAT=VREG），當充電電流低于編程設置的IMIN閾值時，快速充電過程結束而轉入充電完成狀態。

在電流插入充電器后，接通電流即可進入一個新的充電周期。首先，檢測待充電池的溫度是否在允許的溫度范圍內。如果溫度不滿足充電要求，bq2954將保持在S01狀態，即“Qualification”狀態，直到待充電流的溫度和電壓滿足要求。在充電過程中，若電池溫度過高（“HOT”狀態），bq2954將自動進入S04狀態，即“Done”狀態，并通過LED顯示故障狀態，同時中斷充電電流。如果電池溫度過低（“COLD”狀態），則中斷充電并自動轉入S01狀態。只有在電流溫度恢復正常且VBAT低于內置閾值VRCHG之后，電路才會重新進入新的充電周期。如果插入的待充電池的溫度和電壓均符合要求，bq2954則進入S02狀態，即“Conditioning”狀態，該階段的充電電流將維持在ICOND（IMAX的十分之一）。在經過延遲時間tHO之后，如果檢測到的VBAT值在規定時間內達到VMIN，則bq2954將進入快速充電狀態。如果在規定時間tQT內VBAT仍未達到VMIN，說明電池可能發生了故障狀態。此時，自動轉入充電故障狀態，然后將tQT設為tMOT的四分之一。一旦發現充電故障，只有重新接通電源重新插入電池才能開始新的充電周期。

3.2 充電狀態

顯示充電狀態是通過兩個發光二極管LED1和LED2來實現的。通過DSEL引腳可以設置三種不同的顯示模式。DSEL/LED1和CSEL/LED2是雙功能引腳：驅動LED時，該腳作為驅信號的輸出端；作編程控制引腳時，則作為編程信號輸入端。正常上電后，bq2954鎖存DSEL和CSEL引腳上的編程控制信號。當新的編程信號被鎖存后，發光二極管將熄滅約400ms。當充電電流低于IFULL時，LED1和LED2將顯示電池已經充滿。當充電電流低于最小充電電流閾值IMIN時，快速充電過程結束。IFULL和IMIN可以通過ITERM引腳進行設置。不同電流檢測模式的充電狀態顯示設置如圖3所示。

正常快速充電周期、快速充電周期之后的再充電以及異常充電狀態三種情況下的充電狀態顯示表分別如表1、表2和表3所示。

表1 正常快速充電周期

表2 快速充電周期之后的再充電

表3 異常充電狀態

3.3 充電狀態監控

a.電壓電流監控

如果采用低端電流監測，bq2954將監測了BAT引腳與其它引腳之間的電壓差值。如果采用高端電流監測，bq2954將監測BAT引腳與Vss引腳之間的電壓差值，該電壓可以通過一個分壓器得到。為了最大限度地降低分壓器對電池的影響，分壓器的電阻值應足夠大，但阻值過高又會使噪音抑制能力下降，因此，分壓器電阻值應在150kΩ到1MΩ之間選取。其計算公式如下式所示。

RB1/RB2=（NVCELL/VREG）-1

其中：VCELL是生產廠商設置的電池充電電壓值；N是待充電池總數；VREG為2.05V。

電流檢測電阻RSNS由快速充電電流決定：

RSNS=0.25V/IMAX

式中：IMAX是恒流充電階段時的電流值。

在不同電流檢測模式時，電流分壓器設置也將不同，具體電路如圖4所示。

b.電池插入和取出狀態監控

bq2954通過VBAT來監測電池的插入和取出狀態；當VBAT介于電壓上限（VHCO=VREG+0.25V）和電壓下限（VLCO=0.8V）之間時，電路認為電池處于插入狀態。如果VRAT超出這個范圍，則認為電池尚未插入，bq2954將轉入電池監測技術。當電池從充電器中取出后，VBAT將降至VLOC以下。在電池監測狀態中，BTST引腳應置為高電平，以激活處于過放電狀態的待充鋰離子電池。

電池插入狀態監測時間約為500ms。由于有一定的延遲時間tHO（約為1秒）,因此即使VBAT已達到VMIN，充電器也不會立即轉入快速充電狀態。該延遲時間可以防止BAT引腳上產生電壓尖峰時的誤判。在電池取出狀態監測過程中也存在一個時間延遲。

c.溫度監控

對溫度的監控是通過TS引腳和電池負極之間的電壓差值來實現的。該電壓通過一個NTC（負溫度系數）熱敏電阻和熱敏電阻線性化網絡獲得。bq2954高爾夫球該電壓與內閾值電壓相比較，以確定是否進入快速充電狀態。這些內置閾值包括：

（1）溫度“高”狀態截止電壓VTCO：VTCO=0.4Vcc，該電壓對應于充電時所允許的最高溫度值Tco。

（2）溫度“高”狀態故障電壓VHTF：VHTF=0.44Vcc，該電壓對應于電池溫度超過Tco之后恢復充電時的溫度THTF。

（3）溫度“低”狀態故障電壓VLTF：VLTF=0.6Vcc，該電壓對應于充電時所允許的最低溫度值TLTF。

一旦溫度超出TLTF～Tco溫度范圍，充電過程即被中止。而且，如果溫度超出了Tco，恢復充電時，電流溫度就必須降至THTF以下。

構成熱敏電阻線性化網絡的電阻RT1和RT2由下式決定：

0.6Vcc=V/[1+RT1(RT2+RLTF)/(RT2RLTF)]

0.44=1/[1+RT1(RT2+RHTF)/(RHTFRT2)]

式中：RLTF為熱敏電阻在TLTF時的阻值；RHTF為熱敏電阻在HTF時的阻值；

采用低端電流檢測模式時，V=Vcc-0.25;

采用高端電流檢測模式時，V=Vcc；

Tco由RT1的RT2的取值決定，推薦使用精度為1%的電阻。

在TS引腳和電池負極或在TS和Vcc之間接入10kΩ的電阻可以使溫度監控功能失效。

低端和高端溫度檢測設置分別如圖5、圖6所示。

3.4 最大充電時間

最大充電時間tMTO可以通過TM引腳上的R-C網絡進行設置，即：tMTO=500RC，設置范圍在1小時至24小時之間。推薦C取0.1μF。

MTO定時器將在快速充電階段的開始時復位。如果MTO定時器在電壓控制階段溢出，快速充電狀態將被中止，此時bq2954將轉入充電完成狀態；如果MTO定時器在電流控制階段溢出，則快速充電狀態也將中止，bq2954將轉入充電故障狀態。

R-C網絡及MTO的設置如圖7所示。

3.5 充電控制

bq2954采用PWM技術控制充電過程，以實現恒流和恒壓控制。并可通過SNS引腳和BAT引腳分別對充電電流和充電電壓進行監控，將檢測信號與內置閾值進行比較后，器件將通過MOD引腳輸出PWM控制信號，以維持電流或電壓的恒定，該PWM控制信號的最大占空比為80%。

SNS引腳上的電壓由RSNS的阻值來決定，其最大充電電流為：

IMAX=VSNS/RSNS

開關頻率由TPWM引腳和Vss引腳之間的外接電容CPWM決定：

fPWM=（1×10 -4）/CPWM

開關頻率的典型取值一般為100kHz，CPWM可選取0.001μF的電容。

為了防止在電壓控制環路和電流控制環路之間產生振蕩，可在引腳VCCMP和ICOMP之間接入頻率補償網絡。

3.6 快速充電后的再充電

一次充電工作完成后，如果電池電壓仍然低于VRECHG閾值，則可再次啟動快速充電狀態。當經過大約1秒鐘的延遲時間后，進入新的充電工作周期。

3.7 推薦工作條件

bq2954的推薦工作條件如表4所列。

表4 bq2954工作條件推薦表

4 典型應用

采用bq2954設計的高效鋰離子電池充電器原理圖如圖8所示。該充電器能夠對1～4節鋰離子電池進行充電。