基于SE1051/SE1052的直流大功率智能充电器解决方案
2010-12-18 11:30:18
来源：《半导体器件应用》2009年4月刊
点击：1905
1 锂电池原理和直流-直流充电概述
1.1 二极管充电
采用SE78L05串联二极管方案为锂电池进行恒压充电，SE78L05的输电压为5.0V，精度为2%，那么就可以从SE78L05的芯片中选出输出电压为4.9V的产品。二极管可以选择1N4007，压降为0.7V。这样组成的简单的电路就可以为锂电池进行恒压充电。这个方案的成本低，原理简单。而由于二极管的压降受电流影响较大，如图2所示，应用此方案容易发生过充现象，缩短电池寿命，如果设计有疏忽甚至发生爆炸现象。
1.2 智能充电管理IC充电
随着充电技术的发展，锂电池智能充电IC应运而生，SE9016是一款单节锂电池专用充电芯片，充电电流可以通过外部电阻调节，最大充电电流到800mA。SE9016采用符合锂电池化学特性的绢流、恒流、恒压3个方式对锂电池进行充电，如图3所示。这使SE9016广泛应用在蓝牙、MP3、数码相框等便携式产品上。
但是，由于SE9016内置MOS管，在设计时最大充电电流只达到800mA。当为大容量的电池充电时，就会需要很长的充电时间。而且，由于MOS管集成在芯片内部，芯片在进行恒流充电时会产生比较大的功耗，这就需要应用工程师在版级电路设计时，考虑散热的问题。如果散热问题没有被细心的解决的话，SE9016就会有可能在输出电流大约等于500mA的时候进入温度保护。因此，智能充电管理IC在需要大电流充电的领域显得捉襟见肘。
2 SE1051/SE1052的直流大功率智能充电器解决方案
随着电子科学技术的发展，消费类电子产品的性能得到了很大的提高，从而对锂电池的容量的需求日益增长。同时能源的紧缺以及环保的要求，使得大容量锂电池得以迅速普及。在保证电池使用寿命的情况下，用最快的速度为锂电池充电显得尤为重要。目前市场上使用比较多的锂电池智能充电IC普遍采用CMOS管内置的方法，虽然使用这种方法做出的电路简单，但是受到CMOS管的面积以及为了散热所投入的IC封装成本的增加，使得此类IC显得捉襟见肘。而SE1051的一个巧妙的应用，将此问题迎刃而解。应用SE1051的直流充电电路，充电电流的大小以及充电电压可以通过外置电阻来设置。
2.1 SE1051功能简介：
SE1051是一款恒流恒压控制器，SE1051内部集成有参考电压电路和两个集成运算放大器，同时还有一个电流感应电路。其中的一个参考电压电路与一个集成运算放大器组成一个精准的电压控制电路，使SE1051的输出电压稳定在1.210V，而作为一个参考电压，用户针对电路的特殊要求，可以通过设置两个外部电阻的大小来调节出所需要的输出电压；同时电流感应电路与另外一个集成运算放大器组成一个精准的电流控制电路，用户可以通过设置一个外部电阻的大小来调节最大限制电流（Ilimit），以避免因电流过大而造成的对整个电路系统的不可恢复的破坏。SE1051的内部电路图如下所示：
2.2 基于SE1051的直流大功率智能充电器的设计
如图5所示，在输入电压为直流的状态下SE1051可以为锂电池充电进行智能充电。SE1051与NMOS构成了简单的LDO结构，其中SE1051中的电压控制回路或者电流控制回路作为误差放大器来工作，并且由于两个控制回路的输出具有“线与”的功能，因此根据外界环境的不同，有且只有一个控制回路起到了误差放大器的功能：芯片的恒流控制回路用来控制对电池进行的恒流充电模式，充电电流由电阻Rsense确定；芯片的恒压控制回路用来控制对电池进行的恒压充电模式，恒压的设置由采样电阻网络R1、R2确定，对于单节锂电池，应该将U1点的电压设置在4.2V，从而保证没有过充的现象发生。恒流充电模式与恒压充电模式的转换是由U1与U2两节点之间的电阻R3设置的。
当一个电量不满的电池放入图5所示的电路中时，U2点的初始电压假设等于3.6V。此时U1点的电压也大约等于3.6V，R1、R2电阻反馈网络使Vctrl点的电压小于1.21V，此时电压控制回路的运算放大器输出高电压，而由于电压与电流控制回路的运算放大器的输出具有“线与”的功能，因此此时SE1051的输出电压由电流控制回路的输出来决定，即此时电路处于恒流充电的工作状态。根据SE1051的功能描述我们可以知道，这个设计的恒定电流Iset=240mV/Rsense。
在恒流充电的过程中，U1和U2两节点之间的电压差U12=R3*Iset，为恒定的值。此时电池内电量以恒定的速度增加，电池电压上升。当电池电压U2上升到U2=4.2V-R3*Iset时，U1节点的电压达到4.2V。此时R1、R2电阻反馈网络使Vctrl的电压等于1.21V。
当在电池电压进一步增加的瞬间，U1点的电压略超过4.2V，Vctrl略超过1.21V，此时电压控制回路中的运算放大器输出低电平。同样，由于SE1051的两个控制回路的输出具有“线与”的功能，因此SE1051的输出由电压控制回路决定，整个电路进入恒压充电模式。U1点的电压被SE1051内的电压控制回路与R1、R2组成的反馈网络控制，钳位到4.2V。因此，U1点被充到4.2V是恒流充电模式与恒压充电模式的分界线。
当整个电路进入恒流控制模式时，充电电流不再等于Iset=240mV/Rsense，而是等于Ichg=(U1-U2)/R3。随着电池电压U2的增加，充电电流慢慢减小。此时电池得到了保护，寿命得到延长并且不会出现过充的现象。
2.3 1A直流-直流智能充电器设计举例
相关参数设置如下：
2.3.1 充电模式：对于单节锂电池，当锂电池电压小于4V时，以恒流模式充电，因此没有涓流充电；当电池电压大于4V小于4.2V时以恒压模式充电。
2.3.2 充电电流：Ibat=Vsense/Rsense 如上图中 Ibat=0.24V/0.24ohm=1A
2.3.3 充电电压的设置：Vout=Vref*[(R1+R2)/R1]
如上图中 Vout=1.21V*[(25K+10K)/10K]=4.2V
2.3.4 R3电阻的作用：实现恒压充电。
当U1点的电压达到4.2V时，充电结束。当U2点的电压达到4.2V时，电池充饱。在恒流充电过程中，如上图所示，设置的恒流为1A，当U2点的电压被充到4V时，即电池电压为4V，那么Vu1=Vbat+Ibat*R3=4V+1A*0.2ohm=4.2V，U1点的电压达到4.2V，此时芯片截止充电，充电电流Ibat减小，导致R3上电压的减小，从而使U1点的电压减小，芯片重新开始充电，这样实现恒压充电过程，直到电池充饱。R3电阻的设置，
R3=(4.2V-4V)/Ibat 如上图所示 R3=(4.2V-4V)/1A=0.2 ohm。
2.3.5 Rvc1、Cvc1、Cic1、Ric1、C2用作补偿的电阻和电容。
2.3.6 R4、R5为固定的值。
2.3.7 NMOS应选取电流大，散热性好，Vgs 即阈值电压较小(≤0.8V)的产品。在此设计中我们选择了AP2306。
2.3.8 在为单节锂电池充电时，Vin为直流输入应大于等于5V。
2.4 SE1052的改进
图5所示的充电电路还可以有两个改进的地方：第一，电路进入恒压充电模式以后，随着U2的电压升高，充电电流越来越小，理论上来讲，充电永远不会停止。因此如何标示充电循环的终止，该电路并没有明确的功能。第二，由于充电电流可以设计得比较大，因此电路中Rsense上会有很大的功耗产生，它不仅浪费了充电效率，而且也为版级电路的散热设计增加了难度。
针对上述现象，北京思旺电子有限公司于近日推出了一款新的芯片——SE1052。第一，SE1052在SE1051的基础上，增加了两个充电显示功能。可以显示在恒压充电模式时，当充电电流Ichg=Iset/10时，Green脚输出低电平，该脚可以用来驱动绿色LED来显示充电的完成；第二，电流控制回路中，与Vsense相比较的阈值由240mV减小到100mV，从而节省了Rsense电阻上所浪费的效率。
3 结论
使用SE1051/SE1052的直流充电方案的另外一个好处是整个充电电路的输入电压可以比6V更高，理论上来说，输入电压可以升高到18V。这一特点在低成本的交流转直流的系统设计中显得非常重要。在这类交流转直流系统中，SE431和光耦器件被省略掉以节约成本，这就使输出电压的精度取决于变压器的主级线圈和次级线圈的匝数比。这样做的结果就是这类交流转直流系统的输出电压的精度非常低，这个输出电压的精度一般会在+/-25%左右。举个例子来说，很多这种交流转直流的产品规格中，输出电压的范围是6V到10V（8V +/-25%）。
那么在这种情况下，SE1051/SE1052的直流智能充电应用就成为了非常理想的解决方案。SE1051/SE1052是由18V的工艺制成的，它们可以承受最高18V的电压。但是在这种应用方案中，我们建议需要在功率管上适当的加上散热片。因为由于降在功率管上的压降和流过功率管的电流会比较大，功率管上产生的功耗有可能会达到3~5W。
SE1051/2的这种应用为直流大功率智能充电提供出一种可能，并且由于其设计简单，功能强大的特点，我们预期上述的解决方案有能力成为该领域中一种应用的趋势。
1.1 二极管充电
采用SE78L05串联二极管方案为锂电池进行恒压充电，SE78L05的输电压为5.0V，精度为2%，那么就可以从SE78L05的芯片中选出输出电压为4.9V的产品。二极管可以选择1N4007，压降为0.7V。这样组成的简单的电路就可以为锂电池进行恒压充电。这个方案的成本低，原理简单。而由于二极管的压降受电流影响较大，如图2所示，应用此方案容易发生过充现象，缩短电池寿命，如果设计有疏忽甚至发生爆炸现象。
1.2 智能充电管理IC充电
随着充电技术的发展，锂电池智能充电IC应运而生，SE9016是一款单节锂电池专用充电芯片，充电电流可以通过外部电阻调节，最大充电电流到800mA。SE9016采用符合锂电池化学特性的绢流、恒流、恒压3个方式对锂电池进行充电，如图3所示。这使SE9016广泛应用在蓝牙、MP3、数码相框等便携式产品上。
但是，由于SE9016内置MOS管，在设计时最大充电电流只达到800mA。当为大容量的电池充电时，就会需要很长的充电时间。而且，由于MOS管集成在芯片内部，芯片在进行恒流充电时会产生比较大的功耗，这就需要应用工程师在版级电路设计时，考虑散热的问题。如果散热问题没有被细心的解决的话，SE9016就会有可能在输出电流大约等于500mA的时候进入温度保护。因此，智能充电管理IC在需要大电流充电的领域显得捉襟见肘。
2 SE1051/SE1052的直流大功率智能充电器解决方案
随着电子科学技术的发展，消费类电子产品的性能得到了很大的提高，从而对锂电池的容量的需求日益增长。同时能源的紧缺以及环保的要求，使得大容量锂电池得以迅速普及。在保证电池使用寿命的情况下，用最快的速度为锂电池充电显得尤为重要。目前市场上使用比较多的锂电池智能充电IC普遍采用CMOS管内置的方法，虽然使用这种方法做出的电路简单，但是受到CMOS管的面积以及为了散热所投入的IC封装成本的增加，使得此类IC显得捉襟见肘。而SE1051的一个巧妙的应用，将此问题迎刃而解。应用SE1051的直流充电电路，充电电流的大小以及充电电压可以通过外置电阻来设置。
2.1 SE1051功能简介：
SE1051是一款恒流恒压控制器，SE1051内部集成有参考电压电路和两个集成运算放大器，同时还有一个电流感应电路。其中的一个参考电压电路与一个集成运算放大器组成一个精准的电压控制电路，使SE1051的输出电压稳定在1.210V，而作为一个参考电压，用户针对电路的特殊要求，可以通过设置两个外部电阻的大小来调节出所需要的输出电压；同时电流感应电路与另外一个集成运算放大器组成一个精准的电流控制电路，用户可以通过设置一个外部电阻的大小来调节最大限制电流（Ilimit），以避免因电流过大而造成的对整个电路系统的不可恢复的破坏。SE1051的内部电路图如下所示：
2.2 基于SE1051的直流大功率智能充电器的设计
如图5所示，在输入电压为直流的状态下SE1051可以为锂电池充电进行智能充电。SE1051与NMOS构成了简单的LDO结构，其中SE1051中的电压控制回路或者电流控制回路作为误差放大器来工作，并且由于两个控制回路的输出具有“线与”的功能，因此根据外界环境的不同，有且只有一个控制回路起到了误差放大器的功能：芯片的恒流控制回路用来控制对电池进行的恒流充电模式，充电电流由电阻Rsense确定；芯片的恒压控制回路用来控制对电池进行的恒压充电模式，恒压的设置由采样电阻网络R1、R2确定，对于单节锂电池，应该将U1点的电压设置在4.2V，从而保证没有过充的现象发生。恒流充电模式与恒压充电模式的转换是由U1与U2两节点之间的电阻R3设置的。
当一个电量不满的电池放入图5所示的电路中时，U2点的初始电压假设等于3.6V。此时U1点的电压也大约等于3.6V，R1、R2电阻反馈网络使Vctrl点的电压小于1.21V，此时电压控制回路的运算放大器输出高电压，而由于电压与电流控制回路的运算放大器的输出具有“线与”的功能，因此此时SE1051的输出电压由电流控制回路的输出来决定，即此时电路处于恒流充电的工作状态。根据SE1051的功能描述我们可以知道，这个设计的恒定电流Iset=240mV/Rsense。
在恒流充电的过程中，U1和U2两节点之间的电压差U12=R3*Iset，为恒定的值。此时电池内电量以恒定的速度增加，电池电压上升。当电池电压U2上升到U2=4.2V-R3*Iset时，U1节点的电压达到4.2V。此时R1、R2电阻反馈网络使Vctrl的电压等于1.21V。
当在电池电压进一步增加的瞬间，U1点的电压略超过4.2V，Vctrl略超过1.21V，此时电压控制回路中的运算放大器输出低电平。同样，由于SE1051的两个控制回路的输出具有“线与”的功能，因此SE1051的输出由电压控制回路决定，整个电路进入恒压充电模式。U1点的电压被SE1051内的电压控制回路与R1、R2组成的反馈网络控制，钳位到4.2V。因此，U1点被充到4.2V是恒流充电模式与恒压充电模式的分界线。
当整个电路进入恒流控制模式时，充电电流不再等于Iset=240mV/Rsense，而是等于Ichg=(U1-U2)/R3。随着电池电压U2的增加，充电电流慢慢减小。此时电池得到了保护，寿命得到延长并且不会出现过充的现象。
2.3 1A直流-直流智能充电器设计举例
相关参数设置如下：
2.3.1 充电模式：对于单节锂电池，当锂电池电压小于4V时，以恒流模式充电，因此没有涓流充电；当电池电压大于4V小于4.2V时以恒压模式充电。
2.3.2 充电电流：Ibat=Vsense/Rsense 如上图中 Ibat=0.24V/0.24ohm=1A
2.3.3 充电电压的设置：Vout=Vref*[(R1+R2)/R1]
如上图中 Vout=1.21V*[(25K+10K)/10K]=4.2V
2.3.4 R3电阻的作用：实现恒压充电。
当U1点的电压达到4.2V时，充电结束。当U2点的电压达到4.2V时，电池充饱。在恒流充电过程中，如上图所示，设置的恒流为1A，当U2点的电压被充到4V时，即电池电压为4V，那么Vu1=Vbat+Ibat*R3=4V+1A*0.2ohm=4.2V，U1点的电压达到4.2V，此时芯片截止充电，充电电流Ibat减小，导致R3上电压的减小，从而使U1点的电压减小，芯片重新开始充电，这样实现恒压充电过程，直到电池充饱。R3电阻的设置，
R3=(4.2V-4V)/Ibat 如上图所示 R3=(4.2V-4V)/1A=0.2 ohm。
2.3.5 Rvc1、Cvc1、Cic1、Ric1、C2用作补偿的电阻和电容。
2.3.6 R4、R5为固定的值。
2.3.7 NMOS应选取电流大，散热性好，Vgs 即阈值电压较小(≤0.8V)的产品。在此设计中我们选择了AP2306。
2.3.8 在为单节锂电池充电时，Vin为直流输入应大于等于5V。
2.4 SE1052的改进
图5所示的充电电路还可以有两个改进的地方：第一，电路进入恒压充电模式以后，随着U2的电压升高，充电电流越来越小，理论上来讲，充电永远不会停止。因此如何标示充电循环的终止，该电路并没有明确的功能。第二，由于充电电流可以设计得比较大，因此电路中Rsense上会有很大的功耗产生，它不仅浪费了充电效率，而且也为版级电路的散热设计增加了难度。
针对上述现象，北京思旺电子有限公司于近日推出了一款新的芯片——SE1052。第一，SE1052在SE1051的基础上，增加了两个充电显示功能。可以显示在恒压充电模式时，当充电电流Ichg=Iset/10时，Green脚输出低电平，该脚可以用来驱动绿色LED来显示充电的完成；第二，电流控制回路中，与Vsense相比较的阈值由240mV减小到100mV，从而节省了Rsense电阻上所浪费的效率。
3 结论
使用SE1051/SE1052的直流充电方案的另外一个好处是整个充电电路的输入电压可以比6V更高，理论上来说，输入电压可以升高到18V。这一特点在低成本的交流转直流的系统设计中显得非常重要。在这类交流转直流系统中，SE431和光耦器件被省略掉以节约成本，这就使输出电压的精度取决于变压器的主级线圈和次级线圈的匝数比。这样做的结果就是这类交流转直流系统的输出电压的精度非常低，这个输出电压的精度一般会在+/-25%左右。举个例子来说，很多这种交流转直流的产品规格中，输出电压的范围是6V到10V（8V +/-25%）。
那么在这种情况下，SE1051/SE1052的直流智能充电应用就成为了非常理想的解决方案。SE1051/SE1052是由18V的工艺制成的，它们可以承受最高18V的电压。但是在这种应用方案中，我们建议需要在功率管上适当的加上散热片。因为由于降在功率管上的压降和流过功率管的电流会比较大，功率管上产生的功耗有可能会达到3~5W。
SE1051/2的这种应用为直流大功率智能充电提供出一种可能，并且由于其设计简单，功能强大的特点，我们预期上述的解决方案有能力成为该领域中一种应用的趋势。
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