專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)

1、專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告移動(dòng)電源電池充電電路上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院自動(dòng)化系電氣工程及其自動(dòng)化姓名: 學(xué)號(hào):指導(dǎo)老師: 2015年6月20日目錄一、鋰電池充電原理及曲線21.1鋰電池的定義及特點(diǎn)21.2鋰電池的充電過(guò)程2二、TI公司鋰電池充電管理芯片選型說(shuō)明及芯片介紹3 1.1芯片選型說(shuō)明32.1芯片介紹42.1.1引腳介紹42.1.2工作原理52.1.3原理框圖6三、總體設(shè)計(jì)7 3.1設(shè)計(jì)原理圖73.2相關(guān)參數(shù)計(jì)算83.3結(jié)果分析9一、 鋰電池充電原理及曲線1.1鋰電池的定義及特點(diǎn)鋰離子電池的負(fù)極為石墨晶體，正極通常為二氧化鋰。充電時(shí)鋰離子由正極向負(fù)極運(yùn)動(dòng)而嵌入石墨層中。放電時(shí)，鋰離子從石墨晶體內(nèi)負(fù)極表面脫

2、離移向正極。所以，在該電池充放電過(guò)程中鋰總是以鋰離子形態(tài)出現(xiàn)，而不是以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)。因而這種電池叫做鋰離子電池，簡(jiǎn)稱(chēng)鋰電池。鋰電池具有：體積小、容量大、重量輕、無(wú)污染、單節(jié)電壓高、自放電率低、電池循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較貴。1.2鋰離子電池的充電過(guò)程鋰離子電池的充電過(guò)程可分為四個(gè)階段：涓流充電（低壓預(yù)充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。鋰電池充電器的基本要求是特定的充電電流和充電電壓，從而保證電池安全充電。增加其他充電輔助功能是為了改善電池壽命，簡(jiǎn)化充電器的操作，其中包括給過(guò)放電的電池使用涓流充電、電池電壓檢測(cè)、輸入電流限制、充電完成后關(guān)斷充電器、電池部分放電后自動(dòng)啟動(dòng)充電等。圖1鋰電

3、池充電的方式是限壓恒流，都是由IC芯片控制的，典型的充電方式是：先檢測(cè)待充電電池的電壓，如果電壓低于3V，要先進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為設(shè)定電流的1/10，電壓升到3V后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程為：以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到4.2V時(shí)，改為恒壓充電，保持充電電壓為4.2V。此時(shí)，充電電流逐漸下降，下降至設(shè)定充電電流的1/10時(shí)，充電結(jié)束。圖1為充電曲線。階段1：涓流充電涓流充電用來(lái)先對(duì)完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充（恢復(fù)性充電）。在電池電壓低于3V左右時(shí)采用涓流充電，涓流充電電流時(shí)恒流充電電流的十分之一即0.1C（以恒流充電電流為1A舉例，則涓流充電電流為100mA）。階段2：恒流充

4、電當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時(shí)，提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至1.0C之間。電池電壓隨著恒流充電過(guò)程逐步升高，一般單節(jié)電池設(shè)定的此電壓為3.04.2V。階段3：恒壓充電當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí)，恒流充電結(jié)束，開(kāi)始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過(guò)程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少，當(dāng)減小到0.01C時(shí)，認(rèn)為充電終止。階段4：充電終止有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時(shí)器（或者兩者的結(jié)合）。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時(shí)終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開(kāi)始時(shí)計(jì)時(shí)，持續(xù)充電兩個(gè)小時(shí)

5、后終止充電過(guò)程。上述四個(gè)階段的充電法完成對(duì)完全放電電池的充電約需要2.5至3小時(shí)。充電結(jié)束后，如檢測(cè)到電池電壓低于3.89V將重新充電。二、 TI公司鋰電池充電管理芯片選型說(shuō)明及芯片介紹1.1芯片選型說(shuō)明因?yàn)楸敬我苿?dòng)電源電池充電電路的設(shè)計(jì)要求輸入的電壓為5V，電流為1A，所以可選擇TI公司BQ24610芯片作為充電管理。BQ24610是TI公司生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)5V28V，010A鋰電池充電管理。充電控制器與傳統(tǒng)的控制器相比較，效率更高，散熱更少；充電電壓及電流的準(zhǔn)確度接近百分之百，有助于延長(zhǎng)電池使用壽命。2.1芯片介紹2.1.1引腳介紹圖2ACN（1）適配器電流誤差放大器負(fù)輸入ACP（2）適配器

6、電流誤差放大器正輸入ACDRV（3）AC或適配器電源選擇輸出CE（4）充電使能，邏輯高電平輸入。高電平充電使能，低電平停止充電，它有一個(gè)1M內(nèi)部下拉電阻。STAT1（5）漏極開(kāi)路充電狀態(tài)指示按鈕，指示各種充電操作TS（6）電池組溫度CP系數(shù)檢測(cè)。TTC（7）安全時(shí)間和終止控制PG（8）開(kāi)漏輸出狀態(tài)良好指示STAT2（9）漏極開(kāi)路充電狀態(tài)指示按鈕，指示各種充電操作。VREF（10）3.3V參考電壓輸出。ISET1（11）快速充電電流輸入設(shè)置VFB（12）輸出電壓模擬反饋調(diào)整SRN（13）電池電流誤差放大器負(fù)輸入SRP（14）電池電流誤差放大器正輸入ISET2（15）預(yù)充電和終止當(dāng)前輸入設(shè)置ACS

7、ET（16）適配器當(dāng)前輸入設(shè)置GND（17）模擬數(shù)字地REGN（18）連接小信號(hào)肖特基二極管LODRV（19）PWM下部驅(qū)動(dòng)輸出。連接到下部功率MOSFET PH（20）連接到phase-switching節(jié)點(diǎn)HIDRV（21）PWM高端驅(qū)動(dòng)輸出。連接到高功率MOSFET BTST（22）PWM高側(cè)驅(qū)動(dòng)器正電源BATDRV（23）電池和系統(tǒng)之間的MOSFET驅(qū)動(dòng)輸出VCC（24）陽(yáng)極電源2.1.2工作原理BQ24610充電電路工作原理圖如圖3所示，該充電電路基本工作原理可分為預(yù)充、快充和終止階段。當(dāng)接通電源，如果VBAT<VLOWV引腳的電壓，BQ24610控制電池進(jìn)入快速充電階段，預(yù)充

8、電時(shí)為了激活正常的電池功能，預(yù)充電電流的大小約為充電電流的1/6，如果VLOW在30分鐘內(nèi)沒(méi)有達(dá)到啟動(dòng)預(yù)充電的值，充電關(guān)閉，status引腳顯示充電出錯(cuò)?？斐浞趾懔鞒潆姾秃銐撼潆妰蓚€(gè)階段，在該充電階段，恒流充電電流不變，電壓持續(xù)上升，當(dāng)電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電壓時(shí)，充電電流逐漸減小，BQ24610負(fù)責(zé)管理充電電流，在VTT有效情況下，如果VVFB>VRECH，并且ICHARGE<ITERM，檢測(cè)到充電終止。BQ24610能夠自動(dòng)選擇適配器或者電池給負(fù)載供電，當(dāng)處于上電狀態(tài)或者睡眠模式的時(shí)候，電池連接到負(fù)載。當(dāng)電池跳出睡眠模式30ms，電池自動(dòng)與負(fù)載斷開(kāi)，適配器與電池相連。一個(gè)自動(dòng)閉合邏輯防止

9、轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的時(shí)候電流擊穿。每次確保輸出電容或者電源轉(zhuǎn)換器沒(méi)有充或者擊穿之后，進(jìn)入快速充電模式，充電器自動(dòng)軟啟動(dòng)充電器調(diào)節(jié)電流。2.1.3原理框圖圖3三、 總體設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)原理圖圖43.2相關(guān)參數(shù)計(jì)算1) 充電電壓設(shè)計(jì)取R2=42.86K，R1=100KVBAT=2.1V×1+R1R2=2.1V×1+42.86100=3V2) 充電電流設(shè)計(jì)取RSR=0.1，VISET1=2VICHARGE=VISET120×RSR=220×0.1=1A3) 輸入適配器電流取VACSET=2V，RAC=0.1IDPM=VACSET20×RAC=220×

10、0.1=1A4) 預(yù)充電電流取VISET2=6VIPRECHARGE=VISET2100×RSR=6100×0.1=0.6A5) 充電終止電流ICHARGE=VISET2100×RSR=6100×0.1=0.6A6) 充電時(shí)間取CTTC=0.056uF，Kttc=5.6min/nFtCHARGE=CTTC×Kttc=0.056×103×5.6=313.6min7) 電感的選擇取輸入電壓VIN=5V，輸出電壓VOUT=3V，最大輸入電流ICHG=1A，開(kāi)關(guān)頻率fs=300K HZ，L=6.8uH則 占空比 D=VOUTVIN=

11、35=0.6紋波電流 IRIPPLE=VIND(1-D)fsL=5×0.6×0.4300×103×6.8×10-6=1.22.04=0.59A飽和電流ISATICHG+12IRIPPLE=1.3A8) 輸入電容電流ICIN=ICHGD1-D=1×0.6×0.4=0.49A9) 輸出電容電流ICOUT=IRIPPLE2×3=0.592×3=0.17A輸出電容電壓紋波VO=18LCfs2VBAT-VBAT2VIN10）功率MOSFET的選擇 品質(zhì)因數(shù)FOMtop=RDSon×QGDFOMbottom=RDS(on)×QG頂邊MOSFET的傳導(dǎo)損耗Ptop=D×ICHG2×RDSon+12×VIN×ICHG×ton+toff×fston=QSWIon toff=QSWIoffQsw=QGD+12QGSIon=VR