基于USB接口的锂离子电池充电电路设计与实现

1、广西民族学院学报(自然科学版增刊JOURNAL OF GUANGXI UNIVERSIT Y FOR NATIONALITIES2004年12月(N atural Science EditionDec.2004基于USB接口的锂离子电池充电电路设计与实现3李映超(广西民族学院电子与通信工程学院,广西南宁530006摘要:介绍了锂离子(Li-ion电池的基本情况,分析了PC机USB接口用作锂离子电池充电电源的可行性,分别给出了三个可以实际使用的USB接口充电方案,并作了分析和对比.具有很强的实用性和推广价值.关键词:USB接口;锂离子电池;充电;MAX1551/1555;LTC4053中图分类号

2、:TM131文献标识码:A文章编号:1007-0311(2004Z J01-0082-04个人电脑(PC机已得到广泛应用,而U SB接口也已成为PC机上的标准外设接口之一.另一方面,使用锂离子电池的手机、数码相机、M P3播放器等便携设备大量涌现.如何利用随处可见的电脑U SB接口为这些设备所用的锂离子电池充电,是目前U SB 接口应用的一个热点.1锂离子电池及U SB接口概述锂离子(Li-io n电池,简称锂电池,是近年来逐渐普及使用的一种新型电池,具有体积小、重量轻、容量大(能量密度高、自放电率低以及无记忆效应等优点,但同时它也有一些致命的缺陷:对充电、放电的要求比较苛刻,不能过充和过放,

3、否则容易造成不可逆转性损坏,在短路、过充等极端情况下还有可能发生爆炸,产生危险.一般锂电池单节标称电压为316317V,充电时,一般要求采用限压限流法,首先恒流充电,即电流一定,充电电流按国家标准规定的低倍率充电是012C(仲裁充电制式,最大不超过1C;而电池电压随着充电过程逐步升高,当电池端电压达到终止电压412±0105V时,应改恒流充电为恒压小电流(约011C充电,这个状态一般称为涓流充电状态.充电电流根据电芯的饱和程度,随着充电过程的继续逐步减小,当减小到0101C时,认为充电终止.U SB接口是英文U niversal Serial Bus的缩写,中文含义是“通用串行总线”

4、.它是一种应用在PC领域的新型接口技术.U SB使用一个4针插头作为标准插头与外部设备进行连接.在这个4针插头中,有两针为数据通信线,而外侧的两针则为外部设备提供电源.按照U SB规范,每个U SB接口应能提供500mA的电流输出;由U SB主机或带电源的集线器提供的U SB接口,所接外设端的最小可用电压为415V,而由U SB总线驱动的集线器能提供的最小则应为4135V.值得注意的是,虽然U SB规范定义了提供的电流上限不得超过015A,但实际上U SB端口输出的电流经常超过几安培.3收稿日期:2004210228.作者简介:李映超(19712,男,广西南宁人,广西民族学院电子与通信工程学院

5、讲师,主要研究方向:电子技术应用.由以上分析可以看出,利用U SB 接口为锂电池充电,电流方面应该是足够的,关键是如何控制电流的大小.另外,使用电压最小为4.35V 的U SB 接口给典型要求为4.2V 的锂电池充电时,电压上只有很小的裕度,这使得充电电路的压降变得极为重要,是设计的难点.2基于PC 机U SB 接口充电电路设计方案(1方案一图1是市面上的一些“U SB 充电线”的内部电路.其主要原理是利用电阻限定最大电流,利用二极管的压降(约017V 把U SB 接口5V 左右的输出电压降到412V 左右然后对锂电池充电.这个电路具有简单、成本低的优点,但缺点也是显而易见的:充电电流和充电电

6、压因U SB 接口的不同、电池的不同以及电池状态的不同而有所不同,基本上无法把握,在很多时候电池极可能充不满(充电电压达不到412V ,而有时候则可能会过充而损坏电池.这个电路对一些内部具有完善保护电路的锂电池来说尚可接受,而对普通锂电池则有一定危险性 .图1简易USB 充电线内部结构(2方案二图2是由MA X1551/1555构成的一种实用U SB 锂电池充电电路.MAX1551/1555是MA XIM 公司设计生产的U SB 单节锂电池充电芯片,为5引脚薄型SO T23封装,允许U SB 接口或者墙壁AC 适配器3.7V 7V 范围的电压输入.芯片内部还具有温度限制电路.对于这个电路,当连

7、接到U SB 口、但无墙壁AC 适配器的DC 电源时,充电电流被设定为100mA (最大值.这样在不需要端口通信的情况下,就允许从供电的或未供电的U SB 口充电.当DC 电源接通后,充电电流被设定为280mA (典型值,同时U SB 接口的输入自动被切断.如果两个输入端都无电压输入,电路则自动截止,这时电池的反向漏电流小于5uA ,无需外加二极管来防止电池漏电而发生损耗 .图2MAX1551/1555构成的实用USB 锂电池充电电路当电池电压低于3V 时,会进入充电电流被限定为40mA 的预充电模式(涓流充电状态,只有当电池被充到3V 以上时才进入正常的充电模式(100mA 或280mA .

8、这样的模式保护了深度放电的电池.图3和图4分别是用DC 电源和U SB 接口作为输入的电池电压与充电电流的关系曲线 .图3DC 输入时电池电压与充电电流关系曲线图图4USB 输入时电池电压与充电电流关系曲线图增刊李映超/基于U SB 接口的锂离子电池充电电路设计与实现 另外,对于MAX1551,“/PO K ”用于指示输入电源是否接通(输入电压3.95V 时输出低电平;而对于MAX1555,“/C H G ”用于指示充电状态(当充电电流大于50mA 时输出低电平.其他的特性参见MAX1551/1555的数据手册.(3方案三应该说,方案二是一个安全、各方面考虑比较周全和完善的U SB 锂电池充电

9、方案.但该方案的缺点在于:充电电流被固定在100mA 或280mA 左右,特别是在U SB 接口供电时,只能是100mA 的充电电流对于容量较大电池来说,需要花费相当长的充电时间.另外一个缺点是没有充电定时功能,充电的结束与否不能进行人为控制.图5是另一个实用U SB 接口充电电路,使用L TC4053作为设计核心,既保持了方案二的优点又解决了上述不足 .图5L TC4053构成的实用USB 锂电池充电电路在图5中,充电电流是由L TC4053的PRO G (7引脚上的电阻R 来设定的,其计算公式为:R =1500V/IC H G.例如要设定的充电电流为500mA ,则 .图6充电电流与电池电

10、压的关系曲线图L TC4053的TIM ER (4引脚上的电容C 用于设定充电时间,计算公式为:T (小时=C (uF 3/011uF.当C =011uF 时,充电时间为3小时.这个电路具有类似方案二预充电模式的涓流充电模式,并特有故障电池检测功能:当电池电压低于2.48V 时,以全标度电流的10%涓流充电;如果这种状态持续的时间超过总充电时间的四分之一,则认为电池已损坏而停止充电循环.L TC4053本身具有完善的温度检测和补偿、调整功能,可以允许用户安全地以较大电流充电从而大大减少充电时间,图7为充电电流与环境温度的关系曲线图 .图7充电电流与环境温度的关系曲线图广西民族学院学报(自然科学

11、版2004年12月增刊 同样,当L TC4053无电压输入时,电路能自动截止,反向漏电流小于5uA ,无需外加二极管来防止电池漏电,避免了电池的损耗.L TC4053还具有完善的控制、状态指示等功能,具体的请参考芯片手册.3结语毫无疑问,在这三个方案中,第三个方案的功能是最完善,其设计应用的灵活性也最大的,但芯片的引脚较多,器件成本可能也比别的方案要高些.在实际中,我们可以根据用途、成本等实际情况来选择不同的方案以满足不同的要求.随着集成电路技术的发展、新器件的不断推出,我们相信会有更多更好的U SB 充电方案出现.参考文献1MAX1551/1555DA TA sheet.MAXIM Inte

12、grated Product s Z.2004.2L TC4503Data Sheet.The Linear Technology Corporation Z .2004.3Compaq ,HP ,Philips etc.Universal Serial Bus Specification Revi 2sion 2.0Z.2000.4刘炎,冯穗力,叶梧.通用串行总线(USB 原理及接口设计J .电子技术应用.2000,(12.5陈启美,丁传锁.计算机USB 接口技术M 1南京:南京大学出版社,2003.6吴宇平,万春荣,姜长印.锂离子二次电池M .北京:化学工业出版社,2002.7电池标准汇编干电池、锂电池、氢镍电池和镉镍电池卷Z.中国标准出版社,2003.责任编辑黄祖宾,雷群峰责任校对林焯桦(上接第81页上述两点在房屋所有权登记发证管理系统和本人