μP控制的Si9731型電池充電器的原理及應(yīng)用

摘要：Si9731是一種可對(duì)1節(jié)鋰離子電池或1~3節(jié)鎳鎘/鎳氫電池進(jìn)行脈沖充電的電池充電器IC。其電池充電可在系統(tǒng)處理器的直接控制下完成。文中介紹了Si9731的主要特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能和工作原理，并給出Si9731的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：集成電路；μP控制；充電器

1 Si9731的主要特點(diǎn)

Si9731型電池充電器是一種單片IC，可在系統(tǒng)處理器控制下對(duì)3節(jié)NiCd/NiMH電池或1節(jié)鋰離子電池進(jìn)行脈沖充電。該IC內(nèi)部的低導(dǎo)通電阻（RSD（CON））的MOSFET可在系統(tǒng)處理器施加的脈沖信號(hào)下，通過(guò)變化的占空比實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷，因而在大電流脈沖充電時(shí)具有非常小的熱耗散。Si9731同時(shí)還提供涓流充電模式，可在電池被充到足夠高的電壓時(shí)喚醒處理器以進(jìn)行充電處理和控制。Si9731內(nèi)含精密電壓參考和誤差放大器，因此，也能為鋰離子電池提供恒壓（CV）充電。

Si9731的主要特點(diǎn)如下：

●可對(duì)單節(jié)鋰離子電池或1-3節(jié)NiCd/NiMH電池進(jìn)行脈沖充電；

●集成有MOSFET，可在截止模式實(shí)現(xiàn)雙向反向電流阻塞（blocking）；

●具有PWM控制快速充電模式和低電流涓流充電模式；

●通過(guò)引腳可選4.1V或4.2V的鋰離子電池充電終止限制；

●具有過(guò)熱、過(guò)壓和外部關(guān)斷模式，在關(guān)斷狀態(tài)，電池與外部電源完全隔離；

●充電器的輸入、輸出ESD保護(hù)可4kV；

●采用16引腳TSSOP封裝，工作溫度范圍為-40℃~85℃;

Si9731的主要應(yīng)用領(lǐng)域是蜂窩電話電池充電器和個(gè)人數(shù)字助理（PDA）中的電源充電等。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能

Si9731的引腳排列如圖1所示，圖2為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及部分外部元件連接方式。其引腳功能如表1所列。

表1 Si9731引腳功能

3 Si9731的充電過(guò)程

3.1 涓流充電

充電通路可由Si9731內(nèi)部的Q1和Q2N溝道MOSFET組成。當(dāng)電池電壓太低、主處理器不能驅(qū)動(dòng)Si9731的7腳和5腳時(shí)，Q1截止，以防止快速充電。此時(shí)，由于Q2導(dǎo)通，電路可以獲得從外部電源VCHARGRE(3腳)到電池的涓流充電通路。涓流充電電流主要由外部電流限制電阻器Rext設(shè)定.

公式如下：

ITRICKLE≈(VCHARGER-VBAT+)/Rext

當(dāng)電池電壓充至3.4V的最低電池工作電壓時(shí)，內(nèi)部鎖存器被觸發(fā)，15腳的輸出將喚醒處理器并使5腳為高電平，其后電路將終止涓流充電并進(jìn)入快速充電階段。

3.2 快速充電

用微處理器通過(guò)Si9731腳7的控制輸入來(lái)對(duì)電池進(jìn)行脈沖充電，并通過(guò)低導(dǎo)通電阻的Q1（MOSFET）來(lái)完成快速充電。處理器通過(guò)系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)監(jiān)視電池電壓，并通過(guò)改變脈沖充電占空比來(lái)維護(hù)快速充電。由于脈沖充電具有較短的導(dǎo)通時(shí)間和較長(zhǎng)的截止時(shí)間，因而可承受足夠大的充電電流。

當(dāng)對(duì)NiCd或NiMH電池充電時(shí)，處理器通過(guò)感測(cè)VBAT+輸出上的△V或dc/dt，或通過(guò)監(jiān)視電池溫度變化（△T）來(lái)結(jié)束快速充電模式。

鋰離子電池的充電終止電壓為4.1V或4.2V，當(dāng)4.1V_TAP腳懸空時(shí)，可選擇4.2V的充電終止電壓。而將4.1V_TAP與VBAT+腳連接在一起時(shí)，VBAT+的終止電壓是4.1V。當(dāng)電池電壓達(dá)到4.1V或4.2V的充電終止電壓時(shí)，Si9731的CVMODE腳保持高電平，充電器進(jìn)行恒壓充電模式。在該充電模式下，電路認(rèn)可的充電（OTC）信號(hào)輸出為高電平，與反饋電阻器（RFB1、RFB2和RFB3）串聯(lián)的Q5導(dǎo)通（接地），為內(nèi)部誤差放大器（E/A）提供反饋電壓，并與同相輸入端上1.3V的參考電壓相比較。E/A產(chǎn)生的輸出驅(qū)動(dòng)Q1，使VBAT+保持在充電壓上。

圖2

3.3 認(rèn)充電OTC（OK th charge）信號(hào)與控制邏輯

Si9731含有使涓流充電模式和快速充電模式工作的默認(rèn)充電（OTC）信號(hào)。為了能對(duì)電池充電，OTC信號(hào)必須保持在邏輯高電平上。為此，應(yīng)當(dāng)滿足以下：

（1）電池電壓低于5V；

（2）充電器輸入電壓VCHARGER高于2.6V但低于12.8V；

（3）當(dāng)Si9731 7腳（MAINCHARGEEN）為低電平時(shí)，電壓VCHARGER>VBAT+40mV。如果7腳為高電平，則VCHARGER>VBAT-40mV；

（4）ON/OFF腳為邏輯高電平。

利用一個(gè)加法器可驅(qū)動(dòng)充電回路晶體管Q1，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一個(gè)數(shù)字信號(hào)與誤差放大順輸出信號(hào)的組合，它們之間的關(guān)系如表2所列。

表2 Q1驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間關(guān)系

3.4 保護(hù)

（1）過(guò)壓檢測(cè)

當(dāng)輸入到Si9731腳3上的電壓VCHARGER大于12.8V時(shí)，內(nèi)部過(guò)壓檢測(cè)器將關(guān)斷Q1、Q2和Q5，以終止充電。

（2）熱關(guān)閉

Si9731內(nèi)置熱保護(hù)電路，一旦芯片結(jié)溫超過(guò)130℃,電路將終止充電。而當(dāng)結(jié)溫降至120℃以下時(shí)，充電恢復(fù)。

（3）通過(guò)外部關(guān)斷

在Si9731的ON/OFF腳施加一個(gè)不超過(guò)0.4V的電壓時(shí)，電路進(jìn)入關(guān)斷模式，此時(shí)電路僅消耗不到0.1μA的靜態(tài)電流。若在ON/OFF腳施加1.5~12V的電壓，電路將被使能。為使Si9731總是保持使能狀態(tài)，可將ON/OFF腳連接到VCHARGER腳。當(dāng)Si9731使能時(shí)，電池電壓檢測(cè)電路從VBAT消耗的電流約為25μA。

4 結(jié)束語(yǔ)

Si9731是一種由μP控制的電池充電器，該電路可對(duì)單節(jié)鋰離子電池或1~3節(jié)NiCd或MiMH電池進(jìn)行脈沖充電。Si9731的VCAHRGER腳的輸入電壓范圍為4.5~12V，可由墻上的電源適配器提供。Si9731具有快速充電和涓流充電兩種工作模式，并具有過(guò)壓和過(guò)熱保護(hù)功能。