【導(dǎo)讀】USB接口已經(jīng)成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口之一，其中USB接口的一個(gè)重要的作用是可以為手機(jī)、相機(jī)等設(shè)備的鋰電池充電，而鋰電池對(duì)充電放電的要求比較苛刻，因此，如何設(shè)計(jì)USB接口的充電電路使鋰電池不至于過(guò)充，本文給出了三種不同的設(shè)計(jì)方案，我們可以根據(jù)用途、成本等實(shí)際情況來(lái)選擇不同的方案以滿足不同的要求。
個(gè)人電腦(PC機(jī))已得到廣泛應(yīng)用，而USB接口也已成為PC機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口之一。另一方面，使用鋰離子電池的手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器等便攜設(shè)備大量涌現(xiàn)。如何利用隨處可見(jiàn)的電腦USB接口為這些設(shè)備所用的鋰離子電池充電，是目前USB接口應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。
鋰電池及USB接口概述
鋰離子(Li-ion)電池，簡(jiǎn)稱鋰電池，是近年來(lái)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(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也有一些致命的缺陷：對(duì)充電、放電的要求比較苛刻，不能過(guò)充和過(guò)放，否則容易造成不可逆轉(zhuǎn)性損壞，在短路、過(guò)充等極端情況下還有可能發(fā)生爆炸，產(chǎn)生危險(xiǎn)。
一般鋰電池單節(jié)標(biāo)稱電壓為316～317V，充電時(shí)，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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的低倍率充電是0.2C(仲裁充電制式)，最大不超過(guò)1C；而電池電壓隨著充電過(guò)程逐步升高，當(dāng)電池端電壓達(dá)到終止電壓412±0105V時(shí)，應(yīng)改恒流充電為恒壓小電流(約011C)充電，這個(gè)狀態(tài)稱為涓流充電狀態(tài)。充電電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過(guò)程的繼續(xù)逐步減小，當(dāng)減小到0101C時(shí)，認(rèn)為充電終止。
USB接口是英文UniversalSerialBus的縮寫(xiě)，中文含義是“通用串行總線”。它是一種應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。USB使用一個(gè)4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭與外部設(shè)備進(jìn)行連接。在這個(gè)4針插頭中，有兩針為數(shù)據(jù)通信線，而外側(cè)的兩針則為外部設(shè)備提供電源。按照USB規(guī)范，每個(gè)USB接口應(yīng)能提供500mA的電流輸出;由USB主機(jī)或帶電源的集線器提供的USB接口，所接外設(shè)端的最小可用電壓為4.5V，而由USB總線驅(qū)動(dòng)的集線器能提供的最小則應(yīng)為4.35V。值得注意的是，雖然USB規(guī)范定義了提供的電流上限不得超過(guò)015A，但實(shí)際上USB端口輸出的電流經(jīng)常超過(guò)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(yīng)該是足夠的，關(guān)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(shí)，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(shè)計(jì)的難點(diǎn)。
基于PC機(jī)USB接口充電電路設(shè)計(jì)方案
USB接口充電電路設(shè)計(jì)方案一：
圖1是市面上的一些“USB充電線”的內(nèi)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(duì)鋰電池充電。這個(gè)電路具有簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：充電電流和充電電壓因USB接口的不同以及電池狀態(tài)的不同而有所不同，基本上無(wú)法把握，在很多時(shí)候電池極有可能充不滿(充電電壓達(dá)不到4.2V)，而有時(shí)候則可能會(huì)過(guò)充而損壞電池。這個(gè)電路對(duì)一些內(nèi)部具有完善保護(hù)電路的鋰電池來(lái)說(shuō)尚可接受，而對(duì)普通鋰電池則有一定危險(xiǎn)性。
圖2是由MAX1551/1555構(gòu)成的一種實(shí)用USB鋰電池充電電路。MAX1551/1555是MAXIM公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的USB單節(jié)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(nèi)部還具有溫度限制電路。
對(duì)于這個(gè)電路，當(dāng)連接到USB口、但無(wú)墻壁AC適配器的DC電源時(shí)，充電電流被設(shè)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(dāng)DC電源接通后，充電電流被設(shè)定為280mA(典型值)，同時(shí)USB接口的輸入自動(dòng)被切斷。如果兩個(gè)輸入端都無(wú)電壓輸入，電路則自動(dòng)截止，這時(shí)電池的反向漏電流小于5uA，無(wú)需外加二極管來(lái)防止電池漏電而發(fā)生損耗。
當(dāng)電池電壓低于3V時(shí)，會(huì)進(jìn)入充電電流被限定為40mA的預(yù)充電模式(涓流充電狀態(tài))，只有當(dāng)電池被充到3V以上時(shí)才進(jìn)入正常的充電模式(100mA或280mA)。這樣的模式保護(hù)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(guān)系曲線。
另外，對(duì)于MAX1551“，/POK”用于指示輸入電源是否接通(輸入電壓3。95V時(shí)輸出低電平);而對(duì)于MAX1555“，/CHG”用于指示充電狀態(tài)(當(dāng)充電電流大于50mA時(shí)輸出低電平)，其他的特性參見(jiàn)MAX1551/1555的數(shù)據(jù)手冊(cè)。
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USB接口充電電路設(shè)計(jì)方案三：
應(yīng)該說(shuō)，方案二是一個(gè)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(diǎn)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(shí)，只能是100mA的充電電流對(duì)于容量較大電池來(lái)說(shuō)，需要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的充電時(shí)間。另外一個(gè)缺點(diǎn)是沒(méi)有充電定時(shí)功能，充電的結(jié)束與否不能進(jìn)行人為控制。圖5是另一個(gè)實(shí)用USB接口充電電路，使用LTC4053作為設(shè)計(jì)核心，既保持了方案二的優(yōu)點(diǎn)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(gè)USB接口直接供電的鋰離子電池用獨(dú)立型定時(shí)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(duì)單節(jié)鋰電池進(jìn)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(gè)片內(nèi)功率MOSFET管。這個(gè)芯片的最大特點(diǎn)是允許設(shè)計(jì)者自行設(shè)定充電電流和充電時(shí)間，充電終止電壓則已預(yù)設(shè)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(lái)設(shè)定的，其計(jì)算公式為：R=1500V/ICHG，例如要設(shè)定的充電電流為500mA，則R=1500V/015A=3kΩ。充電電流最大可設(shè)為1125A。圖6為充電電流與電池電壓的關(guān)系曲線圖。
LTC4053的TIMER(4)引腳上的電容C用于設(shè)定充電時(shí)間，計(jì)算公式為：T(小時(shí))=C(uF)?3/011uF。當(dāng)C=011uF時(shí)，充電時(shí)間為3小時(shí)。
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這個(gè)電路具有類似方案二預(yù)充電模式的涓流充電模式，并特有故障電池檢測(cè)功能：當(dāng)電池電壓低于2.48V時(shí)，以全標(biāo)度電流的10%涓流充電;如果這種狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間超過(guò)總充電時(shí)間的四分之一，則認(rèn)為電池已損壞而停止充電循環(huán)。
LTC4053本身具有完善的溫度檢測(cè)和補(bǔ)償、調(diào)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(shí)間，圖7為充電電流與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線圖。同樣，當(dāng)LTC4053無(wú)電壓輸入時(shí)，電路能自動(dòng)截止，反向漏電流小于5uA，無(wú)需外加二極管來(lái)防止電池漏電，避免了電池的損耗。另外，LTC4053還具有完善的控制、狀態(tài)指示等功能。
結(jié)語(yǔ)
毫無(wú)疑問(wèn)，在這三個(gè)方案中，第三個(gè)方案的功能是最完善，其設(shè)計(jì)應(yīng)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(shí)際中，我們可以根據(jù)用途、成本等實(shí)際情況來(lái)選擇不同的方案以滿足不同的要求。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展、新器件的不斷推出，我們相信會(huì)有更多更好的USB充電方案出現(xiàn)。
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