摘要：bq2954是美国TI公司生产的锂离子电池充电控制芯片。文中介绍了bq2854的特点、功能及参数,给出了推荐工作条件,最后给出了采用bq2954设计的锂离子电池充电控制器的实际应用电器。

    关键词：充电 锂离子电池 检测模式 脉宽调制 bq2954

1 概述

bq2954是美国TI公司生产的锂离子电池充电控制芯片。该芯片在充电过程中,采用了PWM技术充电电压和充电电流进行控制,能够有效地降低系统功耗,其工作频率可以通过外接电容进行设备。另外,该控制芯片还能对锂离子电池提供有效的保护,只有当锂离子电池的电压和温度都满足设定条件时,芯片才转入快速充电模式。如果电池电压低于电压的下限,bq2954将自动转入涓流充电模式;bq2954是利用外接热敏电阻来检测电池温度的。它的充电过程分为两个阶段：第一阶段为恒流充电阶段,第二阶段为电压控制阶段。恒流充电阶段能够完成可充电池容量的70%,剩余的30%则在电压控制阶段完成。Bq2954具有显示充电过程和充电故障状态的特性,因而可使用户准确及时地撑握充电器和锂离子电池的工作状态。

2 特点和引脚功能

2.1 特点

bq2954锂离子电池充电控制芯片具有以下特点：

●采用PWM技术控制充电电流和充电电压;

●可对高端/低端电流进行检测编程控制;

●可通过设置最小充电电流来控制快充过程;

●可采用预充电模式来检测电池故障;

●可通过设定温度和电压值来保证充电质量;

●可直接驱动LED以显示充电状态。

2.2 引脚功能

bq2954采用16脚窄DIP或SOIC封装形式,它的各引脚排列如图1所示,各引脚功能如下：

●TM（引脚1）：充电时间编程信号输入端。通过该引脚上的电阻和电容可以设置最大充电时间;

●CHG（引脚2）：充电控制端。通过该端可以检测电池是否充满或是否从充电器中移走。当电池充满、移走或发生故障时,芯片内部的开路输出端将呈现低电平;

●BAT（引脚3）：电池电压信号输入端;

●VCOMP（引脚4）：电压环路补偿端。通过外接RC网络来稳定充电电压;

●ICOMP（引脚5）：电流信号补偿端。通过外接RC网络来稳定充电电流;

●ITERM（引脚6）：充电模式选择端。用于度设置快速充电模式中止信号IFULL和IMIN;

●SNS（引脚7）：充电电流检测信号输入端。通过该脚上的外接检测电阻可对电池电流进行检测;

●TS（引脚8）：温度检测信号输入端。用于检测电池的温度,并可通过外接电阻分压网络来设置温度上限和下限阈值;

●TPWM（引脚9）：PWM工作频率设置端。PWM工作频率由外接定时接地电容来设置;

●BTST（引脚10）：电池检测信号输出端。当充电器中的电池被取出后,该端将被置为高电平;

●LCOM（引脚11）：LED公共输出端;

●Vss(引脚12)：接地端;

●Vcc(引脚13)：接5V偏置电源端。

●MOD（引脚14）：充电电流控制信号输出端。该端为脉宽调制推挽输出端,用于控制充电电流的大小。当MOD为低电平时,充电电流将被中止;

●LED1/CSEL（引脚15）：充电状态输出端1/充电电流检测位置选择端。用于设定充电电流检测端位于电池高端还是低端;

●LED2/DSEL（引脚16）：充电状态输出端2/充电检测状态显示模式选择端。

3 bq2954的原理功能

bq2954的内部功能框图如图2所示。

3.1 充电算法和充电条件检测

bq2954采用两阶段快速充电算法。第一阶段的充电电流保持恒定,在VBAT引脚上的电压VBAT上升到内置阈值VREG时,充电过程转入第二阶段,此时,电压保持恒定（VBAT=VREG）,当充电电流低于编程设置的IMIN阈值时,快速充电过程结束而转入充电完成状态。

在电流插入充电器后,接通电流即可进入一个新的充电周期。首先,检测待充电池的温度是否在允许的温度范围内。如果温度不满足充电要求,bq2954将保持在S01状态,即“Qualification”状态,直到待充电流的温度和电压满足要求。在充电过程中,若电池温度过高（“HOT”状态）,bq2954将自动进入S04状态,即“Done”状态,并通过LED显示故障状态,同时中断充电电流。如果电池温度过低（“COLD”状态）,则中断充电并自动转入S01状态。只有在电流温度恢复正常且VBAT低于内置阈值VRCHG之后,电路才会重新进入新的充电周期。如果插入的待充电池的温度和电压均符合要求,bq2954则进入S02状态,即“Conditioning”状态,该阶段的充电电流将维持在ICOND（IMAX的十分之一）。在经过延迟时间tHO之后,如果检测到的VBAT值在规定时间内达到VMIN,则bq2954将进入快速充电状态。如果在规定时间tQT内VBAT仍未达到VMIN,说明电池可能发生了故障状态。此时,自动转入充电故障状态,然后将tQT设为tMOT的四分之一。一旦发现充电故障,只有重新接通电源重新插入电池才能开始新的充电周期。

3.2 充电状态

显示充电状态是通过两个发光二极管LED1和LED2来实现的。通过DSEL引脚可以设置三种不同的显示模式。DSEL/LED1和CSEL/LED2是双功能引脚：驱动LED时,该脚作为驱信号的输出端;作编程控制引脚时,则作为编程信号输入端。正常上电后,bq2954锁存DSEL和CSEL引脚上的编程控制信号。当新的编程信号被锁存后,发光二极管将熄灭约400ms。当充电电流低于IFULL时,LED1和LED2将显示电池已经充满。当充电电流低于最小充电电流阈值IMIN时,快速充电过程结束。IFULL和IMIN可以通过ITERM引脚进行设置。不同电流检测模式的充电状态显示设置如图3所示。

正常快速充电周期、快速充电周期之后的再充电以及异常充电状态三种情况下的充电状态显示表分别如表1、表2和表3所示。

表1 正常快速充电周期

表2 快速充电周期之后的再充电

表3 异常充电状态

3.3 充电状态监控

a.电压电流监控

如果采用低端电流监测,bq2954将监测了BAT引脚与其它引脚之间的电压差值。如果采用高端电流监测,bq2954将监测BAT引脚与Vss引脚之间的电压差值,该电压可以通过一个分压器得到。为了最大限度地降低分压器对电池的影响,分压器的电阻值应足够大,但阻值过高又会使噪音抑制能力下降,因此,分压器电阻值应在150kΩ到1MΩ之间选取。其计算公式如下式所示。

RB1/RB2=（NVCELL/VREG）-1

其中：VCELL是生产厂商设置的电池充电电压值;N是待充电池总数;VREG为2.05V。

电流检测电阻RSNS由快速充电电流决定：

RSNS=0.25V/IMAX

式中：IMAX是恒流充电阶段时的电流值。

在不同电流检测模式时,电流分压器设置也将不同,具体电路如图4所示。

b.电池插入和取出状态监控

bq2954通过VBAT来监测电池的插入和取出状态;当VBAT介于电压上限（VHCO=VREG+0.25V）和电压下限（VLCO=0.8V）之间时,电路认为电池处于插入状态。如果VRAT超出这个范围,则认为电池尚未插入,bq2954将转入电池监测技术。当电池从充电器中取出后,VBAT将降至VLOC以下。在电池监测状态中,BTST引脚应置为高电平,以激活处于过放电状态的待充锂离子电池。

电池插入状态监测时间约为500ms。由于有一定的延迟时间tHO（约为1秒）,因此即使VBAT已达到VMIN,充电器也不会立即转入快速充电状态。该延迟时间可以防止BAT引脚上产生电压尖峰时的误判。在电池取出状态监测过程中也存在一个时间延迟。

c.温度监控

对温度的监控是通过TS引脚和电池负极之间的电压差值来实现的。该电压通过一个NTC（负温度系数）热敏电阻和热敏电阻线性化网络获得。bq2954高尔夫球该电压与内阈值电压相比较,以确定是否进入快速充电状态。这些内置阈值包括：

（1）温度“高”状态截止电压VTCO：VTCO=0.4Vcc,该电压对应于充电时所允许的最高温度值Tco。

（2）温度“高”状态故障电压VHTF：VHTF=0.44Vcc,该电压对应于电池温度超过Tco之后恢复充电时的温度THTF。

（3）温度“低”状态故障电压VLTF：VLTF=0.6Vcc,该电压对应于充电时所允许的最低温度值TLTF。

一旦温度超出TLTF～Tco温度范围,充电过程即被中止。而且,如果温度超出了Tco,恢复充电时,电流温度就必须降至THTF以下。

构成热敏电阻线性化网络的电阻RT1和RT2由下式决定：

0.6Vcc=V/[1+RT1(RT2+RLTF)/(RT2RLTF)]

0.44=1/[1+RT1(RT2+RHTF)/(RHTFRT2)]

式中：RLTF为热敏电阻在TLTF时的阻值;RHTF为热敏电阻在HTF时的阻值;

采用低端电流检测模式时,V=Vcc-0.25;

采用高端电流检测模式时,V=Vcc;

Tco由RT1的RT2的取值决定,推荐使用精度为1%的电阻。

在TS引脚和电池负极或在TS和Vcc之间接入10kΩ的电阻可以使温度监控功能失效。

低端和高端温度检测设置分别如图5、图6所示。

3.4 最大充电时间

最大充电时间tMTO可以通过TM引脚上的R-C网络进行设置,即：tMTO=500RC,设置范围在1小时至24小时之间。推荐C取0.1μF。

MTO定时器将在快速充电阶段的开始时复位。如果MTO定时器在电压控制阶段溢出,快速充电状态将被中止,此时bq2954将转入充电完成状态;如果MTO定时器在电流控制阶段溢出,则快速充电状态也将中止,bq2954将转入充电故障状态。

R-C网络及MTO的设置如图7所示。

3.5 充电控制

bq2954采用PWM技术控制充电过程,以实现恒流和恒压控制。并可通过SNS引脚和BAT引脚分别对充电电流和充电电压进行监控,将检测信号与内置阈值进行比较后,器件将通过MOD引脚输出PWM控制信号,以维持电流或电压的恒定,该PWM控制信号的最大占空比为80%。

SNS引脚上的电压由RSNS的阻值来决定,其最大充电电流为：

IMAX=VSNS/RSNS

开关频率由TPWM引脚和Vss引脚之间的外接电容CPWM决定：

fPWM=（1×10 -4）/CPWM

开关频率的典型取值一般为100kHz,CPWM可选取0.001μF的电容。

    为了防止在电压控制环路和电流控制环路之间产生振荡,可在引脚VCCMP和ICOMP之间接入频率补偿网络。

3.6 快速充电后的再充电

一次充电工作完成后,如果电池电压仍然低于VRECHG阈值,则可再次启动快速充电状态。当经过大约1秒钟的延迟时间后,进入新的充电工作周期。

3.7 推荐工作条件

bq2954的推荐工作条件如表4所列。

表4 bq2954工作条件推荐表

4 典型应用

采用bq2954设计的高效锂离子电池充电器原理图如图8所示。该充电器能够对1～4节锂离子电池进行充电。