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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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      本文主要介紹了汽車發電機充電電路圖大全(六管交流發電機/九管交流發電機/充電器)。汽車發電機是汽車的....
      發表于 05-09 17:40 ? 8121次 閱讀
      汽車發電機充電電路圖大全(六管交流發電機/九管交流發電機/充電器)

      如何使用U盤升級程序和U盤升級程序的優點詳細概述

       使用U盤升級的優點1攜帶方便,利于離線性設備更新程序2無需上位機軟件參與3避免復雜的通信協議定制4....
      發表于 05-09 14:11 ? 368次 閱讀
      如何使用U盤升級程序和U盤升級程序的優點詳細概述

      關于MSP430單片機的USB接口固件編程的研究

      基于 MSP430 系列單片機的系統設計,已經遍布電子產品的每一個領域。以 MSP430 單片機開發....
      發表于 05-02 08:33 ? 186次 閱讀
      關于MSP430單片機的USB接口固件編程的研究

      TI中國明星產品清單已經為您準備好了!

      在TI,創新不僅發生在實驗室;創新是我們DNA的一部分,是我們每天致力于通過變革、差異化產品來改變世....
      的頭像 德州儀器 發表于 04-28 09:47 ? 1864次 閱讀
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      實現增強電力傳送,交替模式USB C型解決方案

      最近發布的通用串行總線(USB)C型連接器帶來了許多增強的功能。眾所周知,該連接器既是可翻轉的又是可....
      的頭像 電子設計 發表于 04-23 09:24 ? 3782次 閱讀
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      嵌入式系統USB接口的虛擬示波器設計

      中斷查詢API一般用于USB設備使用到中斷傳輸的場合。直接控制API是用于CH375直接輸入輸出信號....
      發表于 04-08 15:37 ? 1168次 閱讀
      嵌入式系統USB接口的虛擬示波器設計

      USB接口、串口、并口有何區別

      本文開始介紹了USB接口的工作原理和優點,其次詳細的介紹了串口劃分標準和并口的區別以及并口的主要特點....
      發表于 03-26 14:58 ? 6162次 閱讀
      USB接口、串口、并口有何區別

      嵌入式Wi-F的來源以及與普通Wi-Fi的區別

      現在我們可以這樣來看,從硬件層面上看,WIFI設備與CPU通信是通過USB接口的,與其他WIFI設備....
      的頭像 嵌入式ARM 發表于 03-24 11:18 ? 3495次 閱讀
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      mini usb和micro usb的區別

       MiniUSB,又稱迷你USB,是一種USB接口標準,USB是英文UniversalSerialB....
      發表于 03-09 11:30 ? 76053次 閱讀
      mini usb和micro usb的區別

      micro usb接口定義圖_micro usb接線圖

      Micro USB是USB 2.0標準的一個便攜版本,比部分手機使用的Mini USB接口更小,Mi....
      發表于 03-09 11:00 ? 99576次 閱讀
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      自制恒流恒壓充電電路

      本文主要介紹了兩款自制恒流恒壓充電電路。恒流恒壓脈沖充電器的電路共分三部分;即電容降壓整流部分、脈沖....
      發表于 03-05 09:34 ? 14437次 閱讀
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      簡單恒流充電電路圖大全(八款簡單恒流充電電路設計原理圖詳解)

      本文主要介紹了簡單恒流充電電路圖大全(八款簡單恒流充電電路設計原理圖詳解)。充電器電路的功率器件工作....
      發表于 03-05 09:13 ? 29426次 閱讀
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