μP控制的Si9731型電池充電器的原理及應(yīng)用
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
摘要：Si9731是一種可對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)。
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下，通過變化的占空比實(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；
●通過引腳可選4.1V或4.2V的鋰離子電池充電終止限制；
●具有過熱、過壓和外部關(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
| 引 腳 | 名 稱 | 功 能 |
| 1 | CHARGERPRESENTIN | CHARGERPRESENT（開路漏極）輸出的（充電器出現(xiàn)）邏輯輸入 |
| 2 | CHARGERPOWER-ONIN | CHARGERPOWER-ONIN（開路漏極）輸出的（充電器加電）邏輯輸入 |
| 3 | VCHARGER | 3～12V的外部充電器（輸入）電壓 |
| 0N/OFF | 主機(jī)關(guān)閉腳。該腳為低電平，充電器關(guān)閉，靜態(tài)電流低于是μA | |
| 5 | TRICKLECHARGEEN | 選擇該腳為高電平，涓流充電失能 |
| 6 | CVMODE | 當(dāng)MAINCHARGEEN腳為高電平時(shí)，一個邏輯高電平能使誤差放大器線性驅(qū)動MOSFET（Q1） |
| 7 | MAINCHAREEEN | 在該腳上的一個外部PWM信號控制快速充電MOSFET（Q1）的開/關(guān)占空因數(shù) |
| 8，10 | N/C | 該腳不連接外部電路 |
| 9 | VERF | 內(nèi)部1.3V的精密帶隙參考電壓，該腳不施加負(fù)載 |
| 11 | GND | 低阻抗系統(tǒng)地 |
| 12 | 4.1V-TAP | 連接該腳至VBAT+，在恒壓模式4.1V充電終止 |
| 13 | TRICKLE-VBAT | 連接在該腳與至VBAT+之間的電阻限制涓流充電電流 |
| 14 | VBAT+ | 充電器輸出，連接電池正端 |
| 15 | CHARGERPOWER-ON | （Q4）開路漏極輸出 |
| 16 | CHARGERPRESENT | （Q3）開路漏極輸出 |
3 Si9731的充電過程
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Si9731腳7的控制輸入來對電池進(jìn)行脈沖充電，并通過低導(dǎo)通電阻的Q1（MOSFET）來完成快速充電。處理器通過系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器來監(jiān)視電池電壓，并通過改變脈沖充電占空比來維護(hù)快速充電。由于脈沖充電具有較短的導(dǎo)通時(shí)間和較長的截止時(shí)間，因而可承受足夠大的充電電流。
當(dāng)對NiCd或NiMH電池充電時(shí)，處理器通過感測VBAT+輸出上的△V或dc/dt，或通過監(jiān)視電池溫度變化（△T）來結(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Q1，使VBAT+保持在充電壓上。
圖2
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。為了能對電池充電，OTC信號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。
利用一個加法器可驅(qū)動充電回路晶體管Q1，其驅(qū)動信號是一個數(shù)字信號與誤差放大順輸出信號的組合，它們之間的關(guān)系如表2所列。
表2 Q1驅(qū)動信號之間關(guān)系
| Q1驅(qū)動數(shù)字信號 | 誤差放大器輸出 | Q1驅(qū)動電平 |
| L | L | L（完全截止） |
| L | 居間 | 居間（線性模式） |
| H | L | H（完全導(dǎo)通） |
| H | H |
3.4 保護(hù)
（1）過壓檢測
當(dāng)輸入到Si9731腳3上的電壓VCHARGER大于12.8V時(shí)，內(nèi)部過壓檢測器將關(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）通過外部關(guān)斷
在Si9731的ON/OFF腳施加一個不超過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)，電池電壓檢測電路從VBAT消耗的電流約為25μA。
4 結(jié)束語
Si9731是一種由μP控制的電池充電器，該電路可對單節(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，并具有過壓和過熱保護(hù)功能。
評論