基于USB接口的锂离子电池充电电路设计的3种方案

目前个人电脑（PC机）已得到广泛应用，而USB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、MP3播放器等便携设备大量涌现。　　然而，如何利用随处可见的电脑USB接口为这些设备所用的锂离子电池充电，是目前USB接口应用的一个热点。鉴于此，本文提出了基于USB接口的锂离子电池充电电路设计的3种方案，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。
　　1 锂离子电池及USB接口概述
　　锂离子（Li-ion）电池，简称锂电池 《http://bbs.dianyuan.com/tech/battery》，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，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316~317V，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 0.2C（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。
　　USB接口是英文UniversalSerialBus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种应用在PC领域的新型接口技术。USB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USB规范，每个USB接口应能提供500mA的电流输出；由USB主机或带电源的集线器提供的USB接口，所接外设端的最小可用电压为4.5V，而由USB总线驱动的集线器能提供的最小则应为4.35V.值得注意的是，虽然USB规范定义了提供的电流上限不得超过015A，但实际上USB端口输出的电流经常超过几安培。
　　由以上分析可以看出，利用USB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USB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USB接口充电电路设计方案
　　方案一
　　图1是市面上的一些“USB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0.7V）把USB接口5V左右的输出电压降到 4.2V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：充电电流和充电电压因USB接口的不同以及电池状态的不同而有所不同，基本上无法把握，在很多时候电池极有可能充不满（充电电压达不到4.2V），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。
　　
　　方案二
　　图2是由MAX1551/1555构成的一种实用USB锂电池充电电路。MAX1551/1555是MAXIM公司设计生产的USB单节锂电池充电芯片，为5引脚薄型SOT23封装，允许USB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，当连接到USB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USB口充电。当DC电源接通后，充电电流被设定为280mA（典型值），同时USB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。
　　
　　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）。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电源盒USB接口作为输入的电池电压与充电电流的关系曲线。
　　
　　
　　另外，对于MAX1551“，/POK”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“，/CHG”用于指示充电状态（当充电电流大于50mA时输出低电平）。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USB锂电池充电方案。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 USB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USB接口充电电路，使用LTC4053作为设计核心，既保持了方案二的优点又解决了上述不足。
　　
　　LTC4053是凌特（Linear）公司推出的一款可以从一个USB接口直接供电的锂离子电池用独立型定时终止恒流/恒压线性充电器IC，为10 脚MSOP封装。可以直接由USB接口对单节锂电池进行充电，也可以允许使用墙壁AC适配器的DC电源作为供电电源。所需的输入电压范围是 4.25V~6.5V.包括一个片内功率MOSFET管。这个芯片的最大特点是允许设计者自行设定充电电流和充电时间，充电终止电压则已预设为4.2V.
　　在图5中，充电电流是由LTC4053的PROG（7）引脚上的电阻R来设定的，其计算公式为：R=1500V/ICHG，例如要设定的充电电流为 500mA，则R=1500V/015A=3kΩ。充电电流最大可设为1125A.图6为充电电流与电池电压的关系曲线图。
　　
　　LTC4053的tiMER（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。
　　LTC4053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。同样，当LTC4053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。
　　
　　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USB充电方案出现。