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供电电路切换与锂电池充电电路设计

目前市面上的充电管理IC ， 都是按照充电电池的充电特性来设计的 。 充电电池根据充电介质不同 ， 分为镍氢电池 ， 锂电池等 。 由于锂电池没有记忆效应 ， 所以目前在各种手持设备和便携式的电子产品中 ， 都采用锂电池供电 。 由于锂电池的充电特性 。 充电过程一般分为三个过程：
1、涓流充电阶段（在电池过渡放电 ， 电压偏低的状态下）锂电池一般在过渡放电之后 ， 电压会下降到3.0V以下 。 锂电池内部的介质会发生一些物理变化 ， 致使充电特性变坏 ， 容量降低等 。 在这个阶段 ， 只能通过涓涓细流缓慢的对锂电池充电 ， 是锂电池内部的电介质慢慢的恢复到正常状态 。
2、恒流充电阶段（电池从过放状态恢复到了正常状态）在经过了涓流充电阶段后 ， 电池内部的电介质可以承受较大的充电电流 ， 所以这个时候外部可以通过大一点的电流对锂电池充电 ， 以此缩短充电时间 。 这个阶段的充电电流一般靠充电管理IC外部的一个引脚外接一个电阻来决定 。 阻值大小则根据充电管理IC的datasheet上的公式来计算 。
3、恒压充电阶段（已经充满85%以上 ， 在慢慢的进行补充）在锂电池的电容量达到了85％时候（约值） ， 必须再次进入慢充阶段 。 使电压慢慢上升 。 最终达到锂电池的最高电压4.2V 。
一般来说 ， 锂电池都有一个BAT的引脚输出 ， 这个BAT是连接到锂电池端的 。 同时这个引脚也是锂电池电压检测引脚 。 锂电池充电管理IC通过检测这个引脚来判断电池的各个状态 。 在实际的便携式产品电路设计中 ， 由于要求电池充电过程中 ， 产品也要能够正常适用 。 所以设计中采用以下电路方式实现才是正确的方式：
外部电压5V通过D2送到开关SW2,同时通过充电管理ICMCP73831来送到锂电池 。 SW2的左边点电压为5V－0.7V=4.3V 。 由于锂电池的电压不管在充满电或者非充满状态的时候 ， 都低于SW2左边点电压4.3V 。 所以D1是截止的 。 充电管理IC正常对锂电池充电 。
假如不加二极管D2和D1,后级LDORT9193直接接在BAT引脚输出上 ， 则会是充电IC在通电的时候 ， 会产生误判 。 会出现接上5V的外接电源 ， 但是锂电池不会进行充电 ， 充电管理IC的LED灯指示也不对 。 后级负载LDO也不会得到正常的输入电压（输入电压很小） 。 在这种情况下 ， 只要将充电管理IC的电压输入脚直接对BAT引脚短路连接一下 ， 所有状态又正常 ， 充电能进行 ， 后级负载LDO工作也正常 。
这是由于充电管理IC在接上电的瞬间 ， 要检测BAT的状态 ， 将LDO的输入引脚也连接到了BAT和锂电池正极连接的支路中 ， 会影响到BAT引脚的工作状态 ， 致使充电管理IC进入了涓流充电阶段 。 将BAT引脚和充电管理IC的电压输入短路连接一下 ， 使BAT引脚的电压强制性的升高 ， 使充电管理IC判断为锂电池进入了恒流充电阶段 ， 所以输出大电流 。 能够驱动后级负载LDO等 。
另外：为了提高电源的利用效率 ， D1和D2要选用压降小的二极管 。 如锗二极管 ， 肖特基二极管 ， MOSFET开关管 。 在需要电池切换的设计中 ， 具有10mV正向压降、没有反向漏电流的二极管是设计人员的一个“奢求” 。 但到目前为止 ， 肖特基二极管还是最好的选择 ， 它的正向压降介于300mV到500mV之间 。 但对某些电池切换电路 ， 即使选择肖特基二极管也不能满足设计要求 。 对于一个高效电压转换器来说 ， 节省下来的那部分能量可能会被二极管的正向压降完全浪费掉 。 为了在低电压系统中有效保存电池能量 ， 应该选择功率MOSFET开关替代二极管 。 采用SOT封装、导通电阻只有几十毫欧的MOSFET ， 在便携产品的电流级别下可以忽略其导通压降 。
决定一个系统是否必需使用MOSFET来切换电源 ， 最好对二极管导通压降、MOSFET导通压降和电池电压进行比较 ， 把压降与电池电压的比值看作效率损失 。 例如 ， 把一个正向压降为350mV的肖特基二极管用来切换Li+电池（标称值3.6V） ， 损失则为9.7% ， 如果用来切换两节AA电池（标称值2.7V） ， 损失为13% 。 在低成本设计中 ， 这些损失可能还可以接受 。 但是 ， 当使用了高效率的DC-DC时 ， 就要权衡DC-DC的成本和把二极管升级为MOSFET带来的效率改善的成本 。
选不选用肖特基二极管和MOSFET ， 还要考虑到产品上所用电池的放电特性 。 锂电池的放电特性如下图：
从实际测试LDORT9193来看,负载电阻在50欧姆,负载电流60mA的时候,输入电压和输出电压关系如下表所示:
输入电压输出电压2.8V2.65V3.4v3.0V4.0V3.3V
可以看出,即使是锂电池消耗了90%的电量的时候,LDO的输出端依然可以稳定输出3.3V.从图一A210的供电电路分析,加上硅二极管D1以后,LDO输入电压=3.5---0.7V=2.8V.这样只要模块烧录可以在2.4V左右工作的程序,硅二极管也可以在此电路中使用了.
不过,从电路性能上来考虑,使用锗二极管或者肖特基二极管是最好的选择.
【供电电路切换与锂电池充电电路设计】具体采用什么电路设计,还需要根据自己的产品其他电路工作电压范围和特性,成本等几方面考虑了.


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