手機鋰離子電池充電電路的設計與實現

劉耀義

摘 要：鋰離子電池是當前手機電池的首選，但由于其相對脆弱的特性，使其對充電電路的要求較高。本文分析了手機鋰離子電池參數的選擇，對鋰離子電池出廠時電量的設置進行了介紹，并分析介紹了手機鋰離子電池的充電電路設計與實現，該設計方案具有良好的使用價值。

關鍵詞：手機；鋰離子電池；充電電路

0 引言

隨著科學技術的快速發展，便捷式應用也取得了迅速的發展，并得到了普及，這對電池的性能也提出了更高的要求。在可充電電池中，鋰離子電池以其能量密度高、使用壽命長、放電電壓高以及無記憶效應等優點成為了手機電池的首選。然而，由于過充電和高溫會對鋰離子電池造成極大的損壞。因此，研究鋰離子電池充電電路的設計與實現具有重要的現實意義。

1 電池參數選擇

1.1 電池參數

鋰離子電池目前有液態鋰離子電池（LIB）和聚合物鋰離子電池（PLB）兩類。其中，液態鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負極的二次電池。正極采用鋰化合物-鈷酸鋰、錳酸鋰，負極采用鋰-碳層間化合物。鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質量輕、能量高、自放電小、循環壽命長，是21世紀發展的理想能源載體。

1992年Sony成功開發出鋰離子電池。它的實用化，使人們的移動電話、筆記本電腦等便攜式電子設備重量和體積大大減小，使用時間大大延長。由于鋰離子電池中不含有重金屬鎘，與鎳鎘電池相比，大大減少了對環境的污染。合理的鋰離子電池選擇，對便攜式電子設備發揮性能提到至關重要的作用。

1.2 電池保護板參數

成品鋰電池組成主要有兩大部分，鋰電池電芯和保護板，鋰電池電芯由正極板、隔膜、負極板、電解液等組成。正極板、隔膜、負極板纏繞或層疊，包裝，灌注電解液，封裝后即成電芯。鋰電池保護板，顧名思義就是保護鋰電池用的，鋰電池保護板的作用是保護電池不過放、不過充、不過流，還有就是輸出短路保護。

當電池供電電流過大， 超出其額定功率，電池會產生較高的熱量， 致使本身溫度過高， 有爆炸的危險。所以此時保護電路應該關閉電池供電， 執行過流保護功能。至于保護時電流的大小， 則根據電池的額定功率和負載的大小加以設定。

2 出廠時電池電量設置

移動終端從工廠出廠到消費者手中往往需要一定時間，比如2個月或者更長時間（國內生產國外銷售或國外生產國內銷售等）。為了滿足到消費者手中，電池不會出現過放保護一旦接入電源可以及時充起電池或開機。如下以手機出廠時保持電量50～55%為例：

關機漏電流120μA，放置兩個月，損耗電量為：0.12mA*24H*60=172.8mAh。

同時，電池本身存在自耗電，約一天為1mV，放置兩個月，損耗即為：0.06V。

以2500mAh電池容量為理論計算：

要使得電量保持在50%～55%，即剩余電量為2500mAh*50%～55%=1250～1375mAh，根據電池的ZCV（Zero Current Voltage）放電曲線可知，電壓點為：3.74～3.76V。

在此基礎上，再與以上損耗掉的進行向上累加，1250～1375mAh加上172.8mAh，則為1422～1547mAh，此電壓點為：3.77～3.80V。

再加上0.06V電芯的自耗電，即為：3.83～3.86V。

因此，根據以上理論計算，而一般電池出廠時的電壓為3.92～3.98V，本身可以滿足出貨需求。但是在生產組裝和測試環節，本身會耗一部分電池電量，尤其在功能測試階段耗電量較大。這樣就需要在工廠生產線增加工序做再充電操作（備注：以上充放電計算按照ZCV放電曲線所得，與其他計算方式可能存在一定偏差）。

采用出廠時提高手機電池電量，電池可以維護較長的時間。根據手機關機時由整機漏電流與電池自耗電兩部分組成，Fairchild或Will半導體公司開發出可配置負載開關和復位定時器芯片（Configurable Reset Timer with Integrated Load Switch）。采用此芯片手機在出廠前可關斷該芯片輸出，此時這個系統的漏電流僅為0.2μA（芯片本身），最大也僅為1μA，極大的延長電池待機時間，手機出廠3～4個月后不會出現過放的情況。終端用戶按開關機按鍵或充電器插入，可以打開芯片內部Mosfet進入正常的應用場景。鋰電池的充電過程大致分為快充與慢充兩個階段。在鋰電池快充的過程中充電電流恒定，且隨著充電的進行，電壓也逐漸增加，最終進入了電壓恒定，充電速率減慢的第二階段充電過程，且整個過程中隨著電池充電量的增多，電壓也會隨著其電池電量的增加最終減少到0，完成充電。

3 充電電路分析和介紹

當便攜式設備長久不用或者工廠出貨至終端消費者周期交期，仍然會面臨電池電量逐漸耗盡使得電池進入過放保護狀態。此狀態是無法避免或者回避，當電池可拆卸，尤其是功能機時代，通常采用外部電源來激活進行再次充電使用。但對內置電池方案，由于電池固定在整機內部不可拆卸，此時就需要充電方式來激活或者把電池充起。

不同設備的充電電路區別很大，例如有的采用硬件充電芯片去控制整個充電過程；有的手機采用分立元件，用軟件控制充電流程。有些平臺芯片內部集成充電功能電路，有些平臺考慮溫升和效率等方面，需要外部專門充電電路，PMIC（電源管理芯片）作為充電檢測等。不管這些實現方案是如何構建，其實狀態控制控制過程都是基于負反饋原理。

下面基于MT6582手機平臺，充電過程如圖1所示。

3.1 線性充電電路設計

在MTK平臺方案中，具有DDLO（Deep discharge lockout）功能。當電池電壓低于2.5V，PMIC進入深度放電鎖止功能，此時VRTC的LDO被關閉。否則，VRTC將要從電池吸取電量，此DDLO功能可以防止電池進一步放電或者對電芯產生損壞。

（1）預充電模式

當電池電壓處于UVLO（Under-voltage lockout）階段，當充電器插入時進入預充電模式。此模式下可以分成兩個階段：

當電池電壓低于2.2V（深度放電），以70mA/550ms脈沖小電流來對電池充電；

當電池電壓高于2.2V，例如Pre-CC1階段，此時采用閉環預充電模式，通過保持RSENSE上電壓電位差為60mV（AC充電）或14mV（USB host），可以計算出閉環預充電電流大?。?/p>

當RSENSE=0.2Ω，可以計算出此階段充電電流為70mA或300mA，直至電池電壓升至3.3V為止。假如電池過放，為了保護電池充電，采取涓流充電（IUNIT）和兩個專用定時器來保護充電行為（BC1.1Dead-Battery Support）。

如果電池電壓總是低于2.7V，一個5分鐘的定時器結束和停止充電；

如果電池電壓保持在2.7～3.3V之間，另一個35分鐘定時器結束和停止充電行為。

（2）恒流（Constant current）模式

此階段通過PMIC內部的負反饋網絡，保證（ISENSEBATSNS）電壓恒定。此時充電電流為：

3）恒壓（Constant voltage）模式

此階段通過PMIC內部的負反饋網絡，保證BATSNS電壓恒定。

在恒流階段的前半段，VBAT較低，VBUS與VBAT壓差較大。BJT或mos管和RSENSE電阻上發熱大，軟件控制充9秒停1秒，停一秒為了散熱。因此，就有了“pulse charge”的名稱。

由于線性充電方式具有成本低、設計簡單優點但發熱量大，效率偏低，充電電流較小等缺點，在一些高端產品中逐漸采用開關充電模式來增強用戶體現效果。

3.2 開關充電電路設計

以BQ2415x系列芯片作為開關充電方式（switching charge）為例：

CBOOT主要是來當作charge pump（電荷泵）使用的，由下面方框圖2可以看出Q2為NMOS管，N-MOS要導通需要Vgs>Vth，但是目前N-MOS放在high side（高電位），Vgs無法大于Vth。所以需要使用CBOOT當Charge pump，將電壓升壓大于Vbus+Vth，才能打開Q2。由于一般電容的誤差相對較大，10nF的電容可能部分不能使N-MOS導通導致無法充電。因此可以更改為33nF電容加大電荷，以避免電容偏小導致升壓不足隱患。

以BQ25153A/8芯片OTG控制腳介紹：

此對帶OTG（On-The-Go）功能的項目尤其關鍵，USBOTG功能可以采用GPIO或I2C來控制。當OTG Pin為高電平時，通過I2C解除限流前限流為500mA；當OTG Pin為低電平時，通過I2C解除限流前限流為100mA，預充電電流小加上15分鐘定時模式，存在不能滿足下載程序電流要求或無法激活電池隱患。因此，OTG功能盡量采用I2C控制，此OTG通過10kΩ電阻上拉至VREF，保持高電平。

3.3 路徑管理充電電路設計

根據線性與開關充電電路介紹，通過電池參數合理選擇、預充電電流提高或軟件優化方案等來解決電池過放激活問題。當電池過放后插入充電器，仍然需要5-8分鐘的時間才能喚醒系統，直接帶來錯覺是手機存在不能充電故障。更糟糕的是，此時你恰好需要使用此設備。帶路徑管理充電方案通過把充電電流分成充電部分與系統部分，這樣就較好的解決此問題。

4 結語

綜上所述，鋰離子電池是手機的一個重要組成部件，其充電電路的設計關系到電池的使用性能及使用壽命，并對手機的正常、安全使用具有十分重要的影響。因此，相關設計人員在設計電池充電電路時，要考慮周全，保證鋰離子電池的正常使用。本文對鋰離子電池充電電路進行了設計，該設計方案具有良好的使用效果，可供類似電池充電電路設計參考借鑒。

參考文獻

[1]黎夏，徐軍明.基于單片機的鋰離子電池多用途電路設計[J].機電工程.2014（01）.

[2]孔淑苗.智能穿戴設備鋰離子電池充電管理設計[J].電子技術.2016（02）.