供电电路切换与锂电池充电电路设计

Posted 2021-01-23 ydvely521

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。

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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:

输入电压	输出电压
2.8V	2.65V
3.4v	3.0V
4.0V	3.3V

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.