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      usb接口充電電路設計方案選擇與分解(MAX1551/1555 LTC4053)

      電子設計 ? 2018-11-01 10:01 ? 次閱讀

        如何利用隨處可見的電腦USB接口為這些設備所用的鋰離子電池充電,是目前USB接口應用的一個熱點。鑒于此,本文提出了基于USB接口的鋰離子電池充電電路設計的3種方案,我們可以根據用途、成本等實際情況來選擇不同的方案以滿足不同的要求。

        1 鋰離子電池及USB接口概述

        鋰電池是近年來逐漸普及使用的一種新型電池,具有體積小、重量輕、容量大(能量密度高)、自放電率低以及無記憶效應等優點,但同時它也有一些致命的缺陷:對充電、放電的要求比較苛刻,不能過充和過放,否則容易造成不可逆轉性損壞,在短路、過充等極端情況下還有可能發生爆炸,產生危險。

        一般鋰電池單節標稱電壓為316~317V,充電時,一般要求采用限壓限流法,首先恒流充電,即電流一定,充電電流按國家標準規定的低倍率充電是 0.2C(仲裁充電制式),最大不超過1C;而電池電壓隨著充電過程逐步升高,當電池端電壓達到終止電壓412±0105V時,應改恒流充電為恒壓小電流 (約011C)充電,這個狀態一般稱為涓流充電狀態。充電電流根據電芯的飽和程度,隨著充電過程的繼續逐步減小,當減小到0101C時,認為充電終止。

        USB接口是英文UniversalSerialBus的縮寫,中文含義是“通用串行總線”。它是一種應用在PC領域的新型接口技術。USB使用一個4針插頭作為標準插頭與外部設備進行連接。在這個4針插頭中, 有兩針為數據通信線,而外側的兩針則為外部設備提供電源。按照USB規范,每個USB接口應能提供500mA的電流輸出;由USB主機或帶電源的集線器提供的USB接口,所接外設端的最小可用電壓為4.5V,而由USB總線驅動的集線器能提供的最小則應為4.35V.值得注意的是,雖然USB規范定義了提供的電流上限不得超過015A,但實際上USB端口輸出的電流經常超過幾安培。

        由以上分析可以看出,利用USB接口為鋰電池充電,電流方面應該是足夠的,關鍵是如何控制電流的大小。另外,使用電壓最小為4.35V的USB接口給典型要求為4.2V的鋰電池充電時,電壓上只有很小的裕度,這使得充電電路的壓降變得極為重要,是設計的難點。

        2 基于PC機USB接口充電電路設計方案

        2.1方案一

        圖1是市面上的一些“USB充電線”的內部電路。其主要原理是利用電阻限定最大電流,利用二極管的壓降(約0.7V)把USB接口5V左右的輸出電壓降到 4.2V左右然后對鋰電池充電。這個電路具有簡單、成本低的優點,但缺點也是顯而易見的:充電電流和充電電壓因USB接口的不同以及電池狀態的不同而有所不同,基本上無法把握,在很多時候電池極有可能充不滿(充電電壓達不到4.2V),而有時候則可 能會過充而損壞電池。這個電路對一些內部具有完善保護電路的鋰電池來說尚可接受,而對普通鋰電池則有一定危險性。

        

        2.2方案二

        圖2是由MAX1551/1555構成的一種實用USB鋰電池充電電路。MAX1551/1555是MAXIM公司設計生產的USB單節鋰電池充電芯片,為5引腳薄型SOT23封裝,允許USB接口或者墻壁AC適配器3.7V~7V范圍的電壓輸入。芯片內部還具有溫度限制電路。

        對于這個電路,當連接到USB口、但無墻壁AC適配器的DC電源時,充電電流被設定為100mA(最大值)。這樣在不需要端口通信的情況下,就允許從供電的 或未供電的USB口充電。當DC電源接通后,充電電流被設定為280mA(典型值),同時USB接口的輸入自動被切斷。如果兩個輸入端都無電壓輸入,電路 則自動截止,這時電池的反向漏電流小于5uA,無需外加二極管來防止電池漏電而發生損耗。

        

        當電池電壓低于3V時,會進入充電電流被限定為40mA的預充電模式(涓流充電狀態),只有當電池被充到3V以上時才進入正常的充電模式(100mA或 280mA)。這樣的模式保護了深度放電的電池。圖3和圖4分別是用DC電源盒USB接口作為輸入的電池電壓與充電電流的關系曲線。

        

        

        另外,對于MAX1551“,/POK”用于指示輸入電源是否接通(輸入電壓3.95V時輸出低電平);而對于MAX1555“,/CHG”用于指示充電狀態(當充電電流大于50mA時輸出低電平)。

        2.3方案三

        應該說,方案二是一個安全、各方面考慮比較周全和完善的USB鋰電池充電方案。但該方案的缺點在于:充電電流被固定在100mA或280mA左右,特別是在 USB接口供電時,只能是100mA的充電電流對于容量較大電池來說,需要花費相當長的充電時間。另外一個缺點是沒有充電定時功能,充電的結束與否不能進行人為控制。圖5是另一個實用USB接口充電電路,使用LTC4053作為設計核心,既保持了方案二的優點又解決了上述不足。

        

        LTC4053是凌特(Linear)公司推出的一款可以從一個USB接口直接供電的鋰離子電池用獨立型定時終止恒流/恒壓線性充電器IC,為10 腳MSOP封裝。可以直接由USB接口對單節鋰電池進行充電,也可以允許使用墻壁AC適配器的DC電源作為供電電源。所需的輸入電壓范圍是 4.25V~6.5V.包括一個片內功率MOSFET管。這個芯片的最大特點是允許設計者自行設定充電電流和充電時間,充電終止電壓則已預設為4.2V.

        在圖5中,充電電流是由LTC4053的PROG(7)引腳上的電阻R來設定的,其計算公式為:R=1500V/ICHG,例如要設定的充電電流為 500mA,則R=1500V/015A=3kΩ。充電電流最大可設為1125A.圖6為充電電流與電池電壓的關系曲線圖。

        

        LTC4053的TIMER(4)引腳上的電容C用于設定充電時間,計算公式為:T(小時)=C(uF)?3/011uF.當C=011uF時,充電時間為3小時。

        這個電路具有類似方案二預充電模式的涓流充電模式,并特有故障電池檢測功能:當電池電壓低于2.48V時,以全標度電流的10%涓流充電;如果這種狀態持續的時間超過總充電時間的四分之一,則認為電池已損壞而停止充電循環。

        LTC4053本身具有完善的溫度檢測和補償、調整功能,可以允許用戶安全地以較大電流充電從而大大減少充電時間,圖7為充電電流與環境溫度的關系曲線圖。同樣,當LTC4053無電壓輸入時,電路能自動截止,反向漏電流小于5uA,無需外加二極管來防止電池漏電,避免了電池的損耗。

        

        3 結語

        毫無疑問,在這三個方案中,第三個方案的功能是最完善,其設計應用的靈活性也最大的,但芯片的引腳較多,器件成本可能也比別的方案要高些。在實際中,我們可以根據用途、成本等實際情況來選擇不同的方案以滿足不同的要求。隨著集成電路技術的發展、新器件的不斷推出,我們相信會有更多更好的USB充電方案出現。

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      法拉電容充電電路圖匯總(七款模擬電路設計原理圖詳解)

      2.7v超級電容充電電路圖大全(三款模擬電路設計原理圖詳解)

      本文主要介紹了2.7v超級電容充電電路圖大全(兩款模擬電路設計原理圖詳解)。為超級電容充電有許多方法....
      發表于 02-02 09:00 ? 22337次 閱讀
      2.7v超級電容充電電路圖大全(三款模擬電路設計原理圖詳解)

      適用于各類傳感器接口的LMP8100

      在輸出端上的傳感器擁有一系列的特性。其中,傳感器的敏感度和動態范圍對于把傳感器的信號按比例放大到模數....
      的頭像 電子發燒友網工程師 發表于 01-13 10:25 ? 660次 閱讀
      適用于各類傳感器接口的LMP8100

      ch340g中文資料下載

        CH340 是一個 USB 總線的轉接芯片,實現 USB 轉串口、USB 轉 IrDA 紅....
      發表于 01-09 19:21 ? 704次 閱讀
      ch340g中文資料下載

      ch340g英文資料下載

      This adapter provides optically isolated inputs an....
      發表于 01-09 19:18 ? 482次 閱讀
      ch340g英文資料下載

      用智能電視USB接口給網絡機頂盒供電 小米創始人:不推薦使用

      對于網絡電視機頂盒的電源開關問題,有人提出用智能電視USB接口給網絡機頂盒供電。但是這種方法是否安全....
      發表于 01-05 11:22 ? 1233次 閱讀
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      電源管理芯片bq24040中文資料的特性參數及充電電路

      bq24040系列器件是高度集成的鋰離子電池線性充電器針對空間有限的便攜式應用設備。該設備操作,無論....
      發表于 12-13 08:51 ? 2258次 閱讀
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      各接口傳輸速率列表分享

      接口類型是指該產品與電腦主機(或筆記本電腦)的連接接口類型。例如USB、PCI、PCMCIA 等等。....
      發表于 12-06 08:51 ? 3876次 閱讀
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      tl494多路手機充電器電路設計

      TL494內部主要由振蕩器、“死區”比較器、PWM比較器、兩個誤差放大器1和2、觸發器、邏輯門、三極....
      發表于 12-05 10:34 ? 548次 閱讀
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      芯片支持到位 Type-C轉HDMI纜線普及有望

      然自蘋果(Apple)率先推出只內建一個USB Type-C的Macbook筆記本電腦后,就有許多周....
      發表于 12-02 09:46 ? 2834次 閱讀
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      4v鉛酸電池充電電路解析

      鉛酸電池,是一種電極主要由鉛及其氧化物制成,電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池放電狀態下,正極主要成....
      發表于 11-30 10:13 ? 6290次 閱讀
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      USB接口雙通道11ac雙頻WiFi藍牙QCA9379模塊UB3

      納拓科技應用QCA9379設計USB接口雙通道11ac雙頻WiFi藍牙模塊UB38
      發表于 11-12 11:56 ? 406次 閱讀
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      Wifi攝像頭wifi攝像機和USB接口wifi模塊的不解之緣!

      我們從支撐網絡攝像頭的基礎硬件wifi模塊談起,從側面來了解一下網絡攝像頭和USB接口wifi模塊的....
      發表于 11-04 11:09 ? 676次 閱讀
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