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电池/开关电源 |
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基于开关充电芯片DIO5425的智能手机充电管理探讨 |
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newmaker |
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手机的锂离子电池充电安全性日益受到消费者重视，因此智能手机制造商在设计产品时，须掌握锂离子电池的相关规格和特性，并使用具备完善电池检测及保护功能的充电芯片，以降低过电流、过电压或过温等状况所造成的危险。
一般来说，锂离子电池会有电性安全的范围限制。由于锂离子电池的特性，当电池电压在充电时上升到最高设定电压后，要立即停止充电，避免电池因过充电造成电池损毁而产生危险；电池供电(放电)时，电池电压如果降至最低设定电压以下便要停止放电，避免因过放电而降低使用寿命。此外，为确保电池使用上的安全，锂离子电池还必须要加装短路保护，以避免发生危险。
本文以帝奥微电子一款开关充电芯片DIO5425为例，详细探讨关于智能手机充电管理的系统级设计。DIO5425部署于手机电源输入接口：USB/DC Source之后，通过开关转换可以将输入电流同时用于手机系统供电和电池充电。DIO5425具有优秀的充电管理功能和锂电池保护功能，支持USB2.0和USB3.0协议。DIO5425具有智能电源路径管理功能。
图1：DIO5425参考设计电路
锂离子电池充电管理芯片必须具备以下几点特性：
可提供固定电流给充电电池
当电池电压到达最大值且不再上升时，其充电电流便会开始下降，如此可避免对电池过度充电，造成电池损伤；当充电电流降至一定程度时，充电器将停止充电。
确保电池具备可使用电压
电池在充电完成后，若长时间放置不使用会有自然放电的情形出现，为避免电池过度自放电导致电池电压下降，当电池电压低于所设定电压时，充电器会重新开始对电池充电，确保电池在使用时还能维持一定电压。
四阶段充电简述
因锂离子电池的特性，若锂离子电池在充电之前已深度放电，此时充电器会先以微弱电流对电池进行Pre-Charge充电(各家厂商设定值不同，本文使用范例的充电IC设定值约为10%的最大充电电流)，充电时电池电压上升。
当电池电压上升至约3伏特，充电器改以最大充电电流对电池进行CC Charge，电池电压持续上升。
当电池充电电压上升至接近锂离子电池的饱和点电压约4.2伏特时，充电器改以CV Charge对电池进行充电，此时充电电流开始下降，当充电电流降至约等于Pre-Charge电流时，充电器停止对电池充电，即完成充电。
不论是用通用序列汇流排(USB)或AC电源转换器(Adapter)输入电源对电池充电，当电池开始充电后，若充电时间超过其设定时间，充电器仍然操作于Pre-Charge模式而未进入CC Charge模式，或者仍然操作于CC/CV Charge模式而未进入充电完成状态，则透过IC的充电计时保护功能使充电器停止对电池充电。
以DIO5425为例，详细介绍锂电池充电过程，下图是锂电池充电时序以及详细的参数介绍。
图2：锂离子电池充电曲线图
Trickle Charge or Pre-Charge
此时的锂离子电池电压小于3伏特(V)，当充电器开始对电池充电时，因锂离子电池的特性，其内部阻抗会很大，故充电器会先以一微小电流对电池进行充电，此时电池电压持续上升。
定电流充电(Constant Current Charge, CC Charge)
当电池充电电压上升至约3伏特时，充电器改以最大充电电流对电池进行定电流充电，此时电池电压持续上升。
定电压充电(Constant Voltage Charge, CV Charge)
当电池充电电压上升至接近锂离子电池的饱和点电压约4.2伏特时，充电器改以定电压模式对电池进行充电，此时充电电流开始下降。
Charge Full
当充电电流降至微小电流时，充电器停止对电池充电。
电池在充电完成后，若长时间放置不使用会有自然放电的情形出现，为避免电池过度放电导致电池电压下降，电源IC在锂离子电池电压降至4伏特时，会重新开始对电池进行CC Charge模式充电，确保电池在使用时还能维持一定电压。
结束语
开关型锂电池充电管理芯片除了严格的充电管理时序外，还具有充电状态指示、充电时间控制、NTC指示（热敏电阻维持电池温度安全）、自动复充等一系列保证性能和安全保护的功能，DIO5425皆集成了这些最新的电池管理策略。鉴于篇幅有限，帝奥微电子AE Team会在下一期继续和您探讨关于智能手机锂电池充电管理方案。
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(11/14/2014) |
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