CN103457314B - 一种开关型单节锂电池充电和升压放电控制芯片 - Google Patents

一种开关型单节锂电池充电和升压放电控制芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关型单节锂电池充电和升压放电控制芯片,包括控制逻辑模块、输入检测模块、时钟电路模块、短路检测模块、过流检测模块、充电检测模块,所述控制逻辑模块与所述输入检测模块电连接,所述时钟电路模块与所述控制逻辑模块电连接,所述短路检测模块与所述控制逻辑模块电连接,所述过流检测模块与所述控制逻辑模块电连接,所述电检测模块与所述控制逻辑模块电连接,所述充电检测模块与所述时钟电路模块电连接,本发明的有益效果在于:充电电压精度高、多功能、充电效果佳、有过流、过压及短路保护功能、使用寿命长。

Description

一种开关型单节锂电池充电和升压放电控制芯片 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种芯片,尤其涉及一种开关型单节锂电池充电和升压放电控制芯 片。 【背景技术】
[0002] 市面上的同类芯片充电电压精度不高、功能简单、充电效果差、没有过流、过压及 短路保护功能、使用寿命短。 【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服市面上的同类芯片充电电压精度不高、功能简单、充电效 果差、没有过流、过压及短路保护功能、使用寿命短的不足而提供的一种开关型单节锂电池 充电和升压放电控制芯片。
[0004] 本发明是通过以下技术方案来实现的:一种开关型单节锂电池充电和升压放电控 制芯片,包括控制逻辑模块、输入检测模块、时钟电路模块、短路检测模块、过流检测模块、 充电检测模块,所述控制逻辑模块与所述输入检测模块电连接,所述时钟电路模块与所述 控制逻辑模块电连接,所述短路检测模块与所述控制逻辑模块电连接,所述过流检测模块 与所述控制逻辑模块电连接,所述充电检测模块与所述控制逻辑模块电连接,所述充电检 测模块与所述时钟电路模块电连接。
[0005] 进一步地,还包括芯片管脚,所述芯片管脚与所述控制逻辑模块电连接。
[0006] 进一步地,所述芯片管脚包括S1、S2、S3、S4、STAT、CS、VCC、TTC、HL0AD、ISET、 I LOAD、VTR頂、BAT、SNS、LED、GND、L0DRV、REGN、BOOT、HI DRV、SW、DCH、KEY、VFB芯片管脚;其中 SI为电池电量检测输出1,S2为电池电量检测输出2, S3为电池电量检测输出3, S4为电池电 量检测输出4,STAT为充电指示,CS为输入电流检测负端输入,VCC为电源输入检测负端输 入,TTC为振荡器外接电容,HL0AD为BOOST输出过流阀值调整,I SET为充电电流调整,IL0AD 为BOOST输出空载阀值调整,VTR頂为外接电阻,BAT为充电电流检测负端输入,SNS为充电电 流检测正端输入,LED为最大100mA电流LED驱动,GND为模拟地和功率地,L0DRV为低位同步 整流管驱动,REGN为5V稳定输出电源,BOOT为高位开关管驱动电源正端,HIDRV为高位开关 管驱动,SW为高位开关管驱动电源负端,DCH为BOOST工作指示,KEY为多功能按键输入端, VFB为BOOST输出反馈电压。
[0007] 使用时,充电模式:电池电压检测BAT和GND脚之间的压差,当BAT脚电压低于2V时 进入短路电流检测模式;当BAT脚电压大于2V且低于3V时进入预充电模式;当BAT脚电压大 于3V且低于4.2V时进入快速充电模式;当BAT脚电压等于4.2V时进入恒压充电模式,充电完 成后,如果BAT脚电压于电流泄露下降到4. IV以下时,进入再充电周期。
[0008] 放电模式:当VCC<BAT,即适配器不在时,KEY负脉冲持续50m秒以上,BAT电压高于 3V时,同充电共用功率回路的Boost放电功能启动,放电过程中,在输出负载小于IL0AD设定 阈值并持续20秒,输出负载大于HL0AD设定阈值,BAT电压低于2.8V或者KEY负脉冲持续50m 秒以上,Boos t均自动关闭。
[0009] 待机模式:待机模式时耗电达到最小,低于10uA,以下情况均进入待机模式:当VCC <BAT,即适配器不在并且Boost放电功能和LED照明均关闭;当Boost放电而REGN电压低于 UVL0阈值;当Boost放电检测到输出空载并持续20秒且LED照明关闭;当Boost放电检测到输 出过流且LED照明关闭。
Figure CN103457314BD00041
[0010] 输入限流设定:
[0011] AC输入电流限流值IDPM由下式计算可得: 其中,VACSET为1C内部基 准电压1V,RAC为外部电流检测电阻,一般取20或50πιΩ。
[0012]充电电流设定:
[0013] 电池恒流充电电流值ICHARGE由下式计算可得
Figure CN103457314BD00042
其中,VISET是 ISET脚的输入电压,由内部检测电流乘以外接电阻得到。RSNS为外部电流检测电阻,一般取 20或50ιήΩ。当ISET脚小于100mV时,充电停止;ISET脚大于150mV时,充电使能在恒流充电电 流确定之后,短路检测电流为300%*ICHARGE,预充电电流为30%*ICHARGE,而充电截止电 流为 10%*ICHARGE。
[0014] 恒压输出的微调:测出BAT脚恒压输出的电压值VCV,把VCV向上微调,将微调电阻 RTRTM接在VTR頂脚与地之间;把VCV向下微调,将微调电阻RTR頂接在VTR頂脚与BAT脚之间。 电阻RTR頂阻值大小公式为:
Figure CN103457314BD00043
其中R = 20kQ。
[0015] 充电截止:
[0016] 在恒压阶段,充电电流在RSNS电阻两端的压降低于快充电流的10%时,内置部产 生E0C信号,充电截止。同时,当充电电流在RSNS电阻两端的压降快充电流的20 %时,芯片 内部会产生一个TAPE信号,如果在半个小时后充电电流仍然没有下降到VITERM,充电截止。
[0017] 充电时间限制:对预充电和总充电时间进行可编程限制,总充电时间限制:TcHARCE =CTTC X KTTC其中,CTTC为引脚TTC外接电容值,KTTC为系数。预充电时间为总充电时间的1 / 8,如果发生充电超时,芯片进入FAULT状态,STAT脚或者S1脚输出1Hz脉冲指示,插拔适配器 清除此状态,取消充电时间限制功能,只需要将TTC脚接地即可。
[0018] DCH脚的输出放电控制:
[0019] 充电模式下,自动下拉DCH脚,输入电源向输出负载供电;放电模式下,在Boost启 动时下拉DCH脚,电池通过升压向输出负载供电;待机模式下,DCH脚上拉,关闭向输出负载 供电的通路,以节约功耗,Boost放电轻载电流;放电模式中,当系统负载变轻,并且持续20 秒的时间,Boost会自动关闭而进入待机模式以节约电池电量。电池的轻载放电电流IUC由 下式计算可得:-其中,VI LOAD是I LOAD脚的输入电压,由内部检测电流乘以外 接电阻得到。
Figure CN103457314BD00044
[0020] Boost放电重载过流:
[0021] 放电模式中,当系统负载变重,并且持续0.5毫秒的时间,Boost会自动关闭而进入 待机模式以保护电池本身。电池的重载过放电电流IOC由下式计算可得:其 中,VHL0AD是HL0AD脚的输入电压,由内部检测电流乘以外接电阻得到。
Figure CN103457314BD00051
[0022]本发明的有益效果在于:
[0023] 1、非常适合于便携式设备的电源管理应用。
[0024] 2、充电部分具有集高精度电压和充电电流调节器、预充、充电状态指示和充电截 止等功能,而放电部分具有自动检测负载进入待机模式和电池电量过低报警功能。
[0025] 3、对电池充电分为三个阶段:预充、恒流、恒压过程,恒流充电电流通过外部电阻 决定,恒压充电电压可通过外部电阻微调。
[0026] 4、内置输入电源限流环路,可根据负载情况动态调节电流分配,并具有快速响应 和过流关断的功能。
[0027] 5、集成的电池容量检测指示灯,无论在充电还是放电状态均可有效指示电池剩余 电量,内置LED手电筒驱动,由单键飞梭控制。
[0028] 6、集成电池温度检测,充电时间限制,Cycle-by-cycle限流,Boost输出过流,过 压及短路保护,确保芯片安全工作。 【附图说明】
[0029] 图1为本发明开关型单节锂电池充电和升压放电控制芯片电路示意图;
[0030] 图2为本发明芯片管脚功能示意图;
[0031] 图3为本发明开关型单节锂电池充电和升压放电控制芯片电路图;
[0032] 附图标记:1、控制逻辑模块2、输入检测模块3、时钟电路模块4、短路检测模块;5、 过流检测模块;6、充电检测模块7、芯片管脚。 【具体实施方式】
[0033]下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步描述:
[0034] 如图1、图2、图3所示,一种开关型单节锂电池充电和升压放电控制芯片,包括控制 逻辑模块1、输入检测模块2、时钟电路模块3、短路检测模块4、过流检测模块5、充电检测模 块6,所述控制逻辑模块1与所述输入检测模块2电连接,所述时钟电路模块3与所述控制逻 辑模块1电连接,所述短路检测模块4与所述控制逻辑模块1电连接,所述过流检测模块5与 所述控制逻辑模块1电连接,所述充电检测模块6与所述控制逻辑模块1电连接,所述充电检 测模块6与所述时钟电路模块3电连接。
[0035]优选地,还包括芯片管脚7,所述芯片管脚7与所述控制逻辑模块1电连接。
[0036]优选地,所述芯片管脚7包括S1、S2、S3、S4、STAT、CS、VCC、TTC、HL0AD、I SET、I LOAD、 VTR頂、BAT、SNS、LED、GND、LODRV、REGN、BOOT、ΗI DRV、5W、DCH、KEY、VFB芯片管脚;其中 S1 为电 池电量检测输出1,S2为电池电量检测输出2,S3为电池电量检测输出3,S4为电池电量检测 输出4,STAT为充电指示,CS为输入电流检测负端输入,VCC为电源输入检测负端输入,TTC为 振荡器外接电容,HL0AD为BOOST输出过流阀值调整,I SET为充电电流调整,IL0AD为BOOST输 出空载阀值调整,VTRM为外接电阻,BAT为充电电流检测负端输入,SNS为充电电流检测正 端输入,LED为最大100mA电流LED驱动,GND为模拟地和功率地,L0DRV为低位同步整流管驱 动,REGN为5V稳定输出电源,BOOT为高位开关管驱动电源正端,HIDRV为高位开关管驱动,SW 为高位开关管驱动电源负端,DCH为BOOST工作指示,KEY为多功能按键输入端,VFB为BOOST 输出反馈电压。
[0037] 使用时,充电模式:电池电压检测BAT和GND脚之间的压差,当BAT脚电压低于2V时 进入短路电流检测模式;当BAT脚电压大于2V且低于3V时进入预充电模式;当BAT脚电压大 于3V且低于4.2V时进入快速充电模式;当BAT脚电压等于4.2V时进入恒压充电模式,充电完 成后,如果BAT脚电压于电流泄露下降到4. IV以下时,进入再充电周期。
[0038] 放电模式:当VCC<BAT,即适配器不在时,KEY负脉冲持续50m秒以上,BAT电压高于 3V时,同充电共用功率回路的Boost放电功能启动,放电过程中,在输出负载小于IL0AD设定 阈值并持续20秒,输出负载大于HL0AD设定阈值,BAT电压低于2.8V或者KEY负脉冲持续50m 秒以上,Boos t均自动关闭。
[0039] 待机模式:待机模式时耗电达到最小,低于10uA,以下情况均进入待机模式:当VCC <BAT,即适配器不在并且Boost放电功能和LED照明均关闭;当Boost放电而REGN电压低于 UVL0阈值;当Boost放电检测到输出空载并持续20秒且LED照明关闭;当Boost放电检测到输 出过流且LED照明关闭。
[0040] 输入限流设定:
[0041] AC输入电流限流值IDPM由下式计算可得:其中,VACSET为1C内部基 准电压1V,RAC为外部电流检测电阻,一般取20或50mU。
Figure CN103457314BD00061
[0042]充电电流设定:
[0043] 电池恒流充电电流值ICHARGE由下式计算可得:
Figure CN103457314BD00062
其中,VISET是 ISET脚的输入电压,由内部检测电流乘以外接电阻得到。RSNS为外部电流检测电阻,一般取 20或50ιήΩ。当ISET脚小于100mV时,充电停止;ISET脚大于150mV时,充电使能在恒流充电电 流确定之后,短路检测电流为300%*ICHARGE,预充电电流为30%*ICHARGE,而充电截止电 流为 10%*ICHARGE。
[0044] 恒压输出的微调:测出BAT脚恒压输出的电压值VCV,把VCV向上微调,将微调电阻 RTR頂接在VTR頂脚与地之间;把VCV向下微调,将微调电阻RTR頂接在VTR頂脚与BAT脚之间。 电阻RTR頂阻值大小公式为:其中R = 20kQ。
[0045] 充电截止:
Figure CN103457314BD00063
[0046] 在恒压阶段,充电电流在RSNS电阻两端的压降低于快充电流的10%时,内置部产 生E0C信号,充电截止。同时,当充电电流在RSNS电阻两端的压降快充电流的20 %时,芯片内 部会产生一个TAPE信号,如果在半个小时后充电电流仍然没有下降到VITERM,充电截止。
[0047] 充电时间限制:对预充电和总充电时间进行可编程限制,总充电时间限制:Tcharce =CTTC X KTTC其中,CTTC为引脚TTC外接电容值,KTTC为系数。预充电时间为总充电时间的1 / 8,如果发生充电超时,芯片进入FAULT状态,STAT脚或者S1脚输出1Hz脉冲指示,插拔适配器 清除此状态,取消充电时间限制功能,只需要将TTC脚接地即可。
[0048] DCH脚的输出放电控制:
[0049]充电模式下,自动下拉DCH脚,输入电源向输出负载供电;放电模式下,在Boost启 动时下拉DCH脚,电池通过升压向输出负载供电;待机模式下,DCH脚上拉,关闭向输出负载 供电的通路,以节约功耗,Boost放电轻载电流;放电模式中,当系统负载变轻,并且持续20 秒的时间,Boost会自动关闭而进入待机模式以节约电池电量。电池的轻载放电电流IUC由
Figure CN103457314BD00071
下式计算可得 其中,VIL0AD是IL0AD脚的输入电压,由内部检测电流乘以外 接电阻得到。
[0050] Boost放电重载过流:
[0051]放电模式中,当系统负载变重,并且持续0.5毫秒的时间,Boost会自动关闭而进入 待机模式以保护电池本身。电池的重载过放电电流I0C由下式计算可得:-其 中,VHL0AD是HL0AD脚的输入电压,由内部检测电流乘以外接电阻得到。
Figure CN103457314BD00072
[0052]充电状态指示:开漏输出脚STAT指示如下表:
Figure CN103457314BD00073
[0054]电池电量指示:外接S1-S4的电池电量指示如下表:
Figure CN103457314BD00074
Figure CN103457314BD00081
[0057]静置模式表示处于无电流的充放电模式。
[0058] KEY单键飞梭:多功能按键KEY指令如下表:
Figure CN103457314BD00082
[0060]待机模式中,如果BAT<2.8V或者REGN欠压,所有指令无效。
[0061 ]电源输入欠压和过压:
[0062]在充电模式下,当检测到VCC电压低于4V或者高于8V时,充电停止同时DCH输出上 拉,直到VCC电压重新回到正常值,充电重新启动。
[0063] 电源输入过流保护:
[0064] 在充电模式下,如果负载持续增加导致VCC和CS脚之间的检测电阻电压超过内部 设置的限流阈值的50%并且持续30毫秒时,充电停止同时DCH输出上拉,拔出适配器可清除 此状态。
[0065] 过电压保护:
[0066]内置过电压保护功能。充电模式中,当电池电压过高时,立即关闭充电器的HIDRV 和L0DRV,并指示错误。当拔出适配器时,该错误解除。
[0067] 放电模式中,当VFB电压过高时,比如说系统突然空载,同样关闭HIDRV和L0DRV,直 到VFB电压降至正常,Boost放电继续。
[0068] 短路保护:
[0069] 内置短路保护功能。充电模式中,当电池电压过低时,比如说电池突然短路或者损 坏,立即关闭充电器的HIDRV和L0DRV,lm秒之后,重新软启并以30 %的快充电流进行电池激 活。
[0070] 放电模式中,当电池放电至低于15%电量时,电量指示灯自动报警,当电池继续放 电至低于2.8V时,自动关闭进入待机模式,此时KEY所有指令失效。
[0071] Cycle-By-Cycle 限流保护:
[0072]内置Cycle-By-Cycle限流保护功能。充电模式中,当检测到SNS-BAT压差大于80mV 时,立即关闭PWM,直到下一周期SNS-BAT压差小于限流值。
[0073] 放电模式中,当检测到BAT-SNS压差大于16OmV时,立即关闭PWM,直到下一周期 SNS-BAT压差小于限流值。
[0074] DCM断续工作模式:
[0075] 在充电模式下,当检测到SNS-BAT压差低于3mV时,L0DRV关断同步整流管,防止电 感电流倒灌,系统进入断续工作模式(DCM);当BAT电压低于2V时,L0DRV保持关断,系统进入 断续工作模式。
[0076] 在放电模式下,当检测到ΒΑΤ-SNS压差低于3mV时,HIDRV关断同步整流管,防止电 感电流倒灌,系统进入断续工作模式。
[0077] Refresh脉冲:
[0078] 充电模式中,当BOOT与SW脚之间的压差低于2.6V时,HIDRV关断,L0DRV会开启40η 秒,SW脚下拉,外部自举电容充电。
[0079]内置过温保护:
[0080]当内部结温超过160 °C时,充放电停止,降低芯片功耗;当内部结温降至140°C时, 充放电重新启动。
[0081]根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方 式进行适当的变更和修改。因此,本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式,对本 发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外,尽管本说明书 中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。

Claims (1)

1. 一种开关型单节锂电池充电和升压放电控制芯片,其特征在于:包括控制逻辑模块、 输入检测模块、时钟电路模块、短路检测模块、过流检测模块、充电检测模块,所述控制逻辑 模块与所述输入检测模块电连接,所述时钟电路模块与所述控制逻辑模块电连接,所述短 路检测模块与所述控制逻辑模块电连接,所述过流检测模块与所述控制逻辑模块电连接, 所述充电检测模块与所述控制逻辑模块电连接,所述充电检测模块与所述时钟电路模块电 连接;还包括芯片管脚,所述芯片管脚与所述控制逻辑模块电连接; 所述芯片管脚包括 S1、S2、S3、S4、STAT、CS、VCC、TTC、HL0AD、ISET、IL0AD、VTRIM、BAT、 5吧、1^0、6冊、以)01^、1^^、8001'、!1101^、5¥、001、1^¥、¥卩8,51为电池电量检测输出1、52为电 池电量检测输出2、S3为电池电量检测输出3、S4为电池电量检测输出4、STAT为充电指示、CS 为输入电流检测负端输入、VCC为电源输入检测负端输入、TTC为振荡器外接电容、HLOAD为 BOOST输出过流阀值调整、I SET为充电电流调整、ILOAD为BOOST输出空载阀值调整、VTR頂为 外接电阻、BAT为充电电流检测负端输入、SNS为充电电流检测正端输入、LED为最大100mA电 流LED驱动、GND为模拟地和功率地、L0DRV为低位同步整流管驱动、REGN为5V稳定输出电源、 BOOT为高位开关管驱动电源正端、HIDRV为高位开关管驱动、SW为高位开关管驱动电源负 端、DCH为BOOST工作指示、KEY为多功能按键输入端、VFB为BOOST输出反馈电压。
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