术语和定义

参考文献

有关文件及软件，请浏览:

//www.wsdof.com/configurable-mixed-signal．

下载我们的免费GreenPAK软件设计师(1打开.gp文件[2]，浏览建议的电路设计。使用GreenPAK开发工具(3.在几分钟内将设计冻结到您自己的定制IC中。雷竞技电竞平台Dialog Semiconductor提供完整的应用说明库[4]，其中包括设计实例，以及对对话IC的功能和模块的解释。

1. GreenPAK设计软件软件下载和用户指南，Dialog Semiconductor雷竞技电竞平台
2. AN-CM-218小型锂离子电池快速充电器，GreenPAK设计文件，对话框半导体雷竞技电竞平台
3. GreenPAK开发工具，GreenPAK开发工具网页，Dialog Semiconductor雷竞技电竞平台
4. GreenPAK应用笔记，GreenPAK应用说明网页，Dialog Semiconductor雷竞技电竞平台
5. “BU-409:锂离子充电”，电池大学，2017-05-09
6. “锂离子电池的充电协议及其对循环寿命的影响——不同18650大功率电池的实验研究”，Keil P.和Jossen A.，《储能杂志》6 (2016)

介绍

有许多现成的集成电路可用于为锂离子电池充电。在这篇笔记中，我们提出了一个基于GreenPAK混合信号IC和来自Dialog Semiconductor的GreenFET负载开关的锂离子充电器设计。雷竞技电竞平台在使用GreenPAK方法有一些优势。首先，我们可以在同一个IC中集成解决方案与其他相关或不相关的电路功能，这有助于减少应用程序的总体占用。其次，我们可以通过在同一个GreenPAK芯片中集成上下文特定的控制机制来定制解决方案;例如，在某些情况下，电池不需要总是充满电，设计可以适当地提前终止，以延长电池寿命。第三，可以利用固有的设计灵活性——用于提供大量充电电流的电源可以来自不同的领域，而不是用于供电GreenPAK芯片的电源。所有这些特性在由可再生能源或收集的能源供电的系统中特别有用，这些系统的充电源可能具有不同的特性，有时可能需要在使用电源为负载供电或为电池充电之间进行权衡。

参考铅酸充电过程来理解锂离子充电过程是有帮助的。传统的铅酸电池充电周期有散装、吸收(CV)和漂浮(CV)三个阶段。(大容量阶段通常被称为恒流(CC)阶段，但这是误导，因为电池本身不需要用恒流充电。)重要的是，通过所有三个阶段的运行来完成充电循环，以保持容量和延长寿命。但锂离子电池充电与铅酸充电有以下不同之处:

没有浮相-充电电流必须降至零一旦吸收完成;吸收完成的信号是电荷电流下降到一个适当的低值，通常被认为是0.05 C或0.1 C。

深度放电的锂离子电池(低于2.5 V开路电压)需要少量充电几十毫安才能进入散装阶段

注意，锂离子电池的吸收相通常被错误地称为浮相。还要注意，锂离子的涓流阶段与铅酸电池的涓流阶段是完全不同的!有关锂离子充电的更多资料，请浏览[5]。

这意味着我们需要处理两个阈值电压:“深度放电”阈值和“吸收电压”阈值。此外，我们需要一个电流阈值来检测吸收过程中的电流何时下降到0.05C或0.1C的充电终止阈值。下一节将介绍我们可以采用的处理这些问题的广泛策略。

广泛的设计策略

实现该设计的一种方法是选择一个GreenPAK芯片，如SLG46533V，其中至少有3个acmp，这样我们就可以配置一些东西来检测电压阈值和电流阈值(通过使用一个小电阻)。这将需要一个外部GreenFET。

另一种方法是使用内置功率场效应管(FET)的GreenPAK，如SLG46116/7V。然而，后者只有2个acmp，我们可以用来检测两个电压阈值。为了能够检测电流阈值，我们采用脉冲电池充电方法，其中电流脉冲大小保持恒定，但占空比变化，以控制平均通过电池的电流。这被认为是锂离子电池的一种很好的方法[6事实上，市面上一些现成的锂离子充电器ic都在使用这种充电器。当前阈值检测相当于当占空比下降到预定阈值以下时进行检测。这使得我们可以使用SLG46116V和很少的额外外部组件，为我们提供高度紧凑但功能齐全的锂离子快速充电解决方案。(顺便说一下，我们注意到SLG46116V在这里比SLG46117V更合适，SLG46117V几乎是相同的，除了在后者的输出上存在放电电阻，这是我们不需要的)。

总体示意图如图所示图1．我们已经表明了SLG46533V(更小的盒子)和SLG46116V的可能性。对于前者，较小的方框是GreenPAK和用于表示外部GreenFET的pet。

电池的大容量充电电流由R2决定，使用SLG46116V的集成fet可达1A，使用如SLG59M1641V的greenfet可达2A。如果是外部GreenFET没有采用集成放电电阻，由于GreenFET具有反向电压保护，D2可以消除。在充电电路由带有电池可接受的内置电流限制的墙壁适配器供电的情况下，可以消除R2(即用短路替换)。注意，使用简单的电阻控制大电流，大电流将随着电池充电而降低。R2=2.7欧姆，D2短路，2.5V时充电电流约为0.9A，当电池电压上升到4V时，充电电流将下降到0.6A左右。2.5V以下的电池涓流充电由R1控制，可以设置为约20-35mA，这可以通过开放式漏极PMOS GPIO引脚轻松处理。出于安全考虑，这种涓滴电流是一个稳定的直流电流(因为深度放电的电池可能还没有准备好，当电流脉冲大小保持不变，但占空比改变，以控制平均接受大电流脉冲)。系统下电5V。

R3和C2在Cell Monitor输入端形成低通滤波器，滤除PWM波形中的噪声和纹波。R3还有另外一个作用。随着R3的增加，由于ACMP0的输入阻抗有限(约1M，增益为0.25)，吸收电压阈值也会增加。根据所示值，阈值约为4.06V，对于锂离子电池，根据其精确的电池化学成分，可能会增加到4.2V(必须参考制造商的数据表，以避免将电池充电到不安全的水平)。

还提供了连接到LED指示灯的输出。有三个这样的输出- n涓流，nBulkLED和absorbble。前两个分别在“涓滴”和“批量”状态下是低的。AbsorbLED闪光一次2.5秒在吸收状态,充电终止时高。当这些输出按所示方式连接时，任何时候只有一个LED是亮的，以指示适当的状态。奇怪的是，许多先进的现成充电器ic通常不提供LED输出来清楚地显示充电的三种状态!

这种设计不监测电池温度。

在GreenPAK设计器中实现

图2展示了使用SLG46533V实现的设计。虽然这个设计使用了一个外部pet，所有使用的块在SLG46116V中都是可用的，这允许轻松移植到后者。

现在我们解释设计器中如何实现设计策略。

PWM操作．OSC块的25KHz输出，除以4得到6250Hz，按照应用注释AN-1117和AN-1122中描述的方式用于PWM信号的生成——尽管有一些小的修改以适应当前的环境——所以我们在这里只提供一个简短的操作总结，并请读者参考这些注释中的详细信息。读者也可以参考的时间图表图3帮助理解。

数据=62的CNT2和CNT3块，每62个时钟脉冲产生SET和RESET脉冲，这些脉冲给SR Latch LUT10产生矩形PWM波形;SET使LUT10的输出变高，RESET使它变低。PWM波形的周期是时钟频率除以62，在这种情况下是100Hz。当脉宽(占空比)需要增加时，DOWN/nUP信号变低，这导致SET信号更早出现，从而增加占空比。相反，当DOWN/nUP线变高时，RESET信号发生得更早，导致占空比降低。DOWN/nUP信号来自ACMP0，它监测电池电压。CNT4的目的是指定一个比SET/RESET脉冲速率更慢的PWM占空比更新频率。在目前的情况下，我们希望更新足够慢，以允许电池电压稳定下来，但又足够快，以防止过度充电。因此，我们将CNT4的Data设置为255，这使得更新大约每2.5秒发生一次。这意味着，如果将充满电的电池放入充电器中，大电流将从1A开始，然后单调下降，直到最多2.5x56秒= 140秒结束充电。 If however the battery is not fully charged and has just entered Absorption phase, it will be seen that the charger takes several tens of minutes (depending on its mAH capacity) before it terminates.

关于基本PWM发动机工作的更多细节，读者可以参考AN-1117和AN-1122。

计费算法综述．当充电周期开始时，如果电池电压低于2.5V, ACMP1打开，标志着涓流阶段的开始，并驱动一个大约20-30mA的小直流电进入电池，同时确保PWM输出被门控关闭。一旦电池越过2.5V，它就准备好大电流批量充电阶段和PWM输出开始。当批量充电过程开始时，我们希望PWM占空比从接近100%开始，并保持在那里直到达到吸收状态。为了确保这一点，我们在CNT3之前插入PDLY。这样做的效果是延迟PWM SR Latch LUT10的SET脉冲，使它出现在RESET脉冲之后，所以Latch大部分时间处于HIGH状态，对应于接近100%的占空比。只要电池不处于吸收状态，通过CNT4的PWM更新被AND门L2关闭，使占空比保持在接近100%的值恒定。

当电池的电压超过ACMP0的阈值(3.7V的锂离子电池通常为4.1V)时，电池进入吸收状态的信号就会发出第一个时间。然后OR门L1锁存，表示电池处于吸收状态。在仿真过程中观察到ACMP0的输出在启动时瞬时高，与输入电压无关。为了防止L1被这种伪脉冲锁存，引入了与门L0，使ACMP0的输出只在CNT4产生脉冲时才轮询。这提供了大约2.5秒的启动延迟。一旦进入吸收状态，AND门L2开始让更新脉冲通过。此时，由于ACMP0的输出很高，更新导致占空比略有降低。此后，占空比不断调整，以保持电池电压在ACMP0的滞回限制之间。随着电池充电，这个所需的占空比变得越来越低，直到它最终低于预定的阈值(这里是10%)，充电过程终止。终止逻辑的实现将在后面详细说明。

外部pet驱动输出提供在两个输出上。输出nPFET驱动与PFET驱动输出的极性相反;必须根据所使用的GreenFET选择适当的输出。例如，SLG59M1641V(一个无放电电阻的快速绿色场效应管)打开时，将低电平应用到其门上，因此我们使用npfeet驱动。(如果设计是在带有集成pet(如SLG46116V)的GreenPAK中实现的，则不需要L4。)在选择GreenFET时，重要的是要确保其上升/下降时间足够小，不会在占空比~ 10%时扭曲PWM脉冲，以便在占空比和平均充电电流之间有准确的相关性。

PWM占空比监测在引脚8，它所需要的是一个模拟电压表:在100%的电压将读取约4.7V，随着占空比下降，模拟电压表的读数直到充电终止发生在约0.45V，如图所示(满量程为2.5V)。

充电终止．假设我们已经确定充电终止条件是在吸收期间占空比下降到10%以下。PWM波形具有与CNT2/CNT3数据字段相同多的时钟脉冲，这意味着我们想要感知一个短于该数据字段的10%的PWM脉冲，或者，等价地，一个长于数据值的90%的PWM低值。由于CNT2/3的Data=62，因此PWM周期为62个脉冲长。我们为配置为延迟的DLY5设置Data=56这两个边缘。因此，DLY5作为滤波器，只要PWM的低脉冲大于56个时钟脉冲，输出就会出现延迟下降沿。这时，LUT2检查ACMP0的输出是否高;如果是，它锁存到一个高状态，通过关闭PWM输出导致充电循环终止。此时占空比冻结，因为对CNT4应用了RESET;这允许在空闲时测量终端占空比。要重新充电，电源必须循环。

为了使充电器在充电结束时进入低功率状态，可以将ChargeComplete网络连接到OSC0的PWR DOWN引脚上。

时序图详细说明了ACMP0输出高(DOWN)时的这一过程。第一个SET脉冲进入图3从CNT3触发了L2的更新脉冲。LUT0脉冲被分割成额外的脉冲，导致来自CNT2的第二个RESET脉冲相对于SET脉冲更早出现。因此，我们看到PWM脉冲的宽度缩短了，因此占空比降低了。这造成了占空比探测器DLY5的低脉冲。

这里有一个小微妙之处。注意，低占空比检测并没有与更新脉冲“同时”到来——它是在一个以上的PWM周期延迟之后到来的。很有可能ACMP0“改变主意了”，在DLY5输出低脉冲时短暂切换到低(nUP)状态，然后再次切换到DOWN状态。当ACMP0输入处有噪声或波纹时，这种情况尤其可能发生。当这种情况发生时，可见的影响通常是占空比继续降低，超过充电终止阈值，因为当ACMP0为DOWN时，DLY5没有“捕获”ACMP0。如果这种情况发生几次，那么PWM发动机下流量和占空比可能会反弹到100%。这就是为什么我们选择延迟DLY5的两条边，而不是只延迟下降边;这使得DLY5的输出能够长时间保持在低电平，从而与ACMP0的DOWN相一致，并确保更可靠的充电终止。

测试结果及注意事项

在SLG46533V版本的设计和3.7V 18650电池上进行了实验室测试。正如目前的设计没有任何测试占空比下溢的检查，它也没有明确检查占空比溢出——即，当占空比已经接近100%时，ACMP0输出一个nUP，导致下一个SET脉冲“刚好”出现在RESET脉冲之前，这将导致占空比试图增加到超过100%，从而下降到接近零。由于占空比更新只在吸收状态被触发时才开始，而且该状态仅在ACMP0输出DOWN时才被触发，因此通常不希望发生上述情况。然而，这种情况有可能由Cell Monitor引脚的波纹级别触发，这就是为什么我们在Cell Monitor输入端有一个由R3和C2组成的低通滤波器。所示值在测试过程中工作令人满意。如果问题仍然存在，可以用更高的R3和C2值进行实验。当增加R3值时，记住acmp的输入阻抗约为1MΩ，增益为0.25x时的增益误差约为3%。因此，在R3值较高时必须适当降低IN电压，并重新校准电路。

如图所示的原理图值和ACMP0 IN电压设置为1000mV，吸收在4.07V开始，并保持在4.03 - 4.07V之间直到充电终止。吸收开始时的充电电流为0.5A，主要受墙疣(一个5V USB充电器)的限制。充电终止占空比设置为10%，导致平均终止电流为0.5A。

在测试设计时，我们通常没有耐心给电池充电，比如从3V或3.5V，因为这可能需要等待半个多小时。通常更实际的做法是，将充满电的电池快速放电，直到它刚好低于吸收阈值，然后将其置于充电模式，这样等待时间可以减少到几分钟!这可能会导致一些意想不到的情况，例如充电器进入吸收阶段比预期的要早，或占空比溢出超过100%。为了避免在测试时出现这种情况，建议在快速放电后，等待几分钟，让电池“稳定下来”。然后确认在连接到充电器时，吸收相至少2分钟内不会出现。

结论和扩展

这款Note展示了一款小巧但功能强大的锂离子电池充电器。这种设计有相当大的实验空间——例如，我们可以尝试不同的PWM频率，看看什么频率会导致不同的锂离子化学物质的最佳结果。虽然这是一个正在进行的研究课题，但很难在贸易文献中找到这一问题的明确答案。更复杂的设计将包括温度监测，以及根据电池温度改变充电电流和终止阈值的能力，以确保最佳的充电和电池寿命。可以设计一种更复杂的“参数化”充电器，包括一个I2C接口，允许用户在一定程度上控制充电器参数，如电池化学反应的终端电压，这样充电器就能获得更多的通用性，并能在投放市场时适应更新的锂离子化学反应。