μP控制的Si9731型电池充电器的原理及应用

摘要：Si9731是一种可对1节锂离子电池或1"3节镍镉/镍氢电池进行脉冲充电的电池充电器IC。其电池充电可在系统处理器的直接控制下完成。文中介绍了Si9731的主要特点、内部结构、引脚功能和工作原理，并给出Si9731的设计要点。 关键词：集成电路；μP控制；充电器 1 Si9731的主要特点 Si9731型电池充电器是一种单片IC，可在系统处理器控制下对3节NiCd/NiMH电池或1节锂离子电池进行脉冲充电。该IC内部的低导通电阻（RSD（CON））的MOSFET可在系统处理器施加的脉冲信号下，通过变化的占空比实现导通和关断，因而在大电流脉冲充电时具有非常小的热耗散。Si9731同时还提供涓流充电模式，可在电池被充到足够高的电压时唤醒处理器以进行充电处理和控制。Si9731内含精密电压参考和误差放大器，因此，也能为锂离子电池提供恒压（CV）充电。 Si9731的主要特点如下： ●可对单节锂离子电池或1-3节NiCd/NiMH电池进行脉冲充电； ●集成有MOSFET，可在截止模式实现双向反向电流阻塞（blocking）； ●具有PWM控制快速充电模式和低电流涓流充电模式； ●通过引脚可选4.1V或4.2V的锂离子电池充电终止限制； ●具有过热、过压和外部关断模式，在关断状态，电池与外部电源完全隔离； ●充电器的输入、输出ESD保护可4kV； ●采用16引脚TSSOP封装，工作温度范围为-40℃"85℃; Si9731的主要应用领域是蜂窝电话电池充电器和个人数字助理（PDA）中的电源充电等。 2 内部结构和引脚功能 Si9731的引脚排列如图1所示，图2为其内部结构框图及部分外部元件连接方式。其引脚功能如表1所列。 表1 Si9731引脚功能 引 脚名 称 功 能 1 CHARGERPRESENTIN CHARGERPRESENT（开路漏极）输出的（充电器出现）逻辑输入 2 CHARGERPOWER-ONIN CHARGERPOWER-ONIN（开路漏极）输出的（充电器加电）逻辑输入 3 VCHARGER 3～12V的外部充电器（输入）电压 　 0N/OFF 主机关闭脚。该脚为低电平，充电器关闭，静态电流低于是μA 5 TRICKLECHARGEEN 选择该脚为高电平，涓流充电失能 6 CVMODE 当MAINCHARGEEN脚为高电平时，一个逻辑高电平能使误差放大器线性驱动MOSFET（Q1） 7 MAINCHAREEEN 在该脚上的一个外部PWM信号控制快速充电MOSFET（Q1）的开/关占空因数 8，10 N/C 该脚不连接外部电路 9 VERF 内部1.3V的精密带隙参考电压，该脚不施加负载 11 GND 低阻抗系统地 12 4.1V-TAP 连接该脚至VBAT+，在恒压模式4.1V充电终止 13 TRICKLE-VBAT 连接在该脚与至VBAT+之间的电阻限制涓流充电电流 14 VBAT+ 充电器输出，连接电池正端 15 CHARGERPOWER-ON （Q4）开路漏极输出 16 CHARGERPRESENT （Q3）开路漏极输出 3 Si9731的充电过程 3.1 涓流充电 充电通路可由Si9731内部的Q1和Q2N沟道MOSFET组成。当电池电压太低、主处理器不能驱动Si9731的7脚和5脚时，Q1截止，以防止快速充电。此时，由于Q2导通，电路可以获得从外部电源VCHARGRE(3脚)到电池的涓流充电通路。涓流充电电流主要由外部电流限制电阻器Rext设定. 公式如下： ITRICKLE≈(VCHARGER-VBAT+)/Rext 当电池电压充至3.4V的最低电池工作电压时，内部锁存器被触发，15脚的输出将唤醒处理器并使5脚为高电平，其后电路将终止涓流充电并进入快速充电阶段。 3.2 快速充电 用微处理器通过Si9731脚7的控制输入来对电池进行脉冲充电，并通过低导通电阻的Q1（MOSFET）来完成快速充电。处理器通过系统A/D转换器来监视电池电压，并通过改变脉冲充电占空比来维护快速充电。由于脉冲充电具有较短的导通时间和较长的截止时间，因而可承受足够大的充电电流。 当对NiCd或NiMH电池充电时，处理器通过感测VBAT+输出上的△V或dc/dt，或通过监视电池温度变化（△T）来结束快速充电模式。 锂离子电池的充电终止电压为4.1V或4.2V，当4.1V_TAP脚悬空时，可选择4.2V的充电终止电压。而将4.1V_TAP与VBAT+脚连接在一起时，VBAT+的终止电压是4.1V。当电池电压达到4.1V或4.2V的充电终止电压时，Si9731的CVMODE脚保持高电平，充电器进行恒压充电模式。在该充电模式下，电路认可的充电（OTC）信号输出为高电平，与反馈电阻器（RFB1、RFB2和RFB3）串联的Q5导通（接地），为内部误差放大器（E/A）提供反馈电压，并与同相输入端上1.3V的参考电压相比较。E/A产生的输出驱动Q1，使VBAT+保持在充电压上。 图2 3.3 认充电OTC（OK th charge）信号与控制逻辑 Si9731含有使涓流充电模式和快速充电模式工作的默认充电（OTC）信号。为了能对电池充电，OTC信号必须保持在逻辑高电平上。为此，应当满足以下： （1）电池电压低于5V； （2）充电器输入电压VCHARGER高于2.6V但低于12.8V； （3）当Si9731 7脚（MAINCHARGEEN）为低电平时，电压VCHARGER>VBAT+40mV。如果7脚为高电平，则VCHARGER>VBAT-40mV； （4）ON/OFF脚为逻辑高电平。 利用一个加法器可驱动充电回路晶体管Q1，其驱动信号是一个数字信号与误差放大顺输出信号的组合，它们之间的关系如表2所列。 表2 Q1驱动信号之间关系 Q1驱动数字信号误差放大器输出 Q1驱动电平 L L L（完全截止） L 居间居间（线性模式） H L H（完全导通） H H %26;#215; 3.4 保护 （1）过压检测 当输入到Si9731脚3上的电压VCHARGER大于12.8V时，内部过压检测器将关断Q1、Q2和Q5，以终止充电。 （2）热关闭 Si9731内置热保护电路，一旦芯片结温超过130℃,电路将终止充电。而当结温降至120℃以下时，充电恢复。 （3）通过外部关断 在Si9731的ON/OFF脚施加一个不超过0.4V的电压时，电路进入关断模式，此时电路仅消耗不到0.1μA的静态电流。若在ON/OFF脚施加1.5"12V的电压，电路将被使能。为使Si9731总是保持使能状态，可将ON/OFF脚连接到VCHARGER脚。当Si9731使能时，电池电压检测电路从VBAT消耗的电流约为25μA。 4 结束语 Si9731是一种由μP控制的电池充电器，该电路可对单节锂离子电池或1"3节NiCd或MiMH电池进行脉冲充电。Si9731的VCAHRGER脚的输入电压范围为4.5"12V，可由墙上的电源适配器提供。Si9731具有快速充电和涓流充电两种工作模式，并具有过压和过热保护功能。