供電電路切換與鋰電池充電電路設計

目前市面上的充電管理IC，都是按照充電電池的充電特性來設計的。充電電池根據充電介質不一樣，分爲鎳氫電池，鋰電池等。因爲鋰電池沒有記憶效應，因此目前在各類手持設備和便攜式的電子產品中，都採用鋰電池供電。 因爲鋰電池的充電特性。充電過程通常分爲三個過程： 　　

一、涓流充電階段（在電池過渡放電，電壓偏低的狀態下） 鋰電池通常在過渡放電以後，電壓會降低到3.0V如下。鋰電池內部的介質會發生一些物理變化，導致充電特性變壞，容量下降等。在這個階段，只能經過涓涓細流緩慢的對鋰電池充電，是鋰電池內部的電介質慢慢的恢復到正常狀態。 　　

二、恆流充電階段（電池從過放狀態恢復到了正常狀態） 在通過了涓流充電階段後，電池內部的電介質能夠承受較大的充電電流，因此這個時候外部能夠經過大一點的電流對鋰電池充電，以此縮短充電時間。 這個階段的充電電流通常靠充電管理IC外部的一個引腳外接一個電阻來決定。阻值大小則根據充電管理IC的datasheet上的公式來計算。

　　
三、恆壓充電階段（已經充滿85%以上，在慢慢的進行補充） 在鋰電池的電容量達到了85％時候（約值），必須再次進入慢充階段。使電壓慢慢上升。最終達到鋰電池的最高電壓4.2V。 　　

　　
　　通常來講，鋰電池都有一個BAT的引腳輸出，這個BAT是鏈接到鋰電池端的。同時這個引腳也是鋰電池電壓檢測引腳。鋰電池充電管理IC經過檢測這個引腳來判斷電池的各個狀態。 在實際的便攜式產品電路設計中，因爲要求電池充電過程當中，產品也要可以正常適用。因此設計中採用如下電路方式實現纔是正確的方式：
　　
　　
　　

圖一 A210電源供電圖

外部電壓5V經過D2送到開關SW2, 同時經過充電管理IC MCP73831來送到鋰電池。SW2的左邊點電壓爲5V－0.7V=4.3V。因爲鋰電池的電壓無論在充滿電或者非充滿狀態的時候，都低於SW2左邊點電壓4.3V。因此D1是截止的。充電管理IC 正常對鋰電池充電。

假如不加二極管D2和D1, 後級LDO RT9193直接接在BAT引腳輸出上，則會是充電IC在通電的時候，會產生誤判。會出現接上5V的外接電源，可是鋰電池不會進行充電，充電管理IC的LED燈指示也不對。後級負載LDO也不會獲得正常的輸入電壓（輸入電壓很小）。在這種狀況下，只要將充電管理IC的電壓輸入腳直接對BAT引腳短路鏈接一下，全部狀態又正常，充電能進行，後級負載LDO工做也正常。

這是因爲充電管理IC在接上電的瞬間，要檢測BAT的狀態，將LDO的輸入引腳也鏈接到了BAT和鋰電池正極鏈接的支路中，會影響到BAT引腳的工做狀態，導致充電管理IC進入了涓流充電階段。將BAT引腳和充電管理IC的電壓輸入短路鏈接一下，使BAT引腳的電壓強制性的升高，使充電管理IC判斷爲鋰電池進入了恆流充電階段，因此輸出大電流。可以驅動後級負載LDO等。

另外：爲了提升電源的利用效率，D1和D2要選用壓降小的二極管。如鍺二極管，肖特基二極管，MOSFET開關管。在須要電池切換的設計中，具備10mV正向壓降、沒有反向漏電流的二極管是設計人員的一個「奢求」。但到目前爲止，肖特基二極管仍是最好的選擇，它的正向壓降介於300mV到500mV之間。但對某些電池切換電路，即便選擇肖特基二極管也不能知足設計要求。對於一個高效電壓轉換器來講，節省下來的那部分能量可能會被二極管的正向壓降徹底浪費掉。爲了在低電壓系統中有效保存電池能量，應該選擇功率MOSFET開關替代二極管。採用SOT封裝、導通電阻只有幾十毫歐的MOSFET，在便攜產品的電流級別下能夠忽略其導通壓降。

決定一個系統是否必需使用MOSFET來切換電源，最好對二極管導通壓降、MOSFET導通壓降和電池電壓進行比較，把壓降與電池電壓的比值看做效率損失。例如，把一個正向壓降爲350mV的肖特基二極管用來切換Li+電池（標稱值3.6V），損失則爲9.7%，若是用來切換兩節AA電池（標稱值2.7V），損失爲13%。在低成本設計中，這些損失可能還能夠接受。可是，當使用了高效率的DC-DC時，就要權衡DC-DC的成本和把二極管升級爲MOSFET帶來的效率改善的成本。

選不選用肖特基二極管和MOSFET，還要考慮到產品上所用電池的放電特性。鋰電池的放電特性以下圖：

從上圖能夠看出,鋰電池在常溫狀態下,消耗了90%的電量的時候,電壓仍是會保持在3.5V左右,選擇一個好點的LDO器件. 那麼在3.5V的時候,輸出電壓仍是會穩定在3.3V.

從實際測試LDO RT9193來看,負載電阻在50歐姆,負載電流60mA的時候,輸入電壓和輸出電壓關係以下表所示:

輸入電壓	輸出電壓
2.8V	2.65V
3.4v	3.0V
4.0V	3.3V

能夠看出,即便是鋰電池消耗了90%的電量的時候, LDO的輸出端依然能夠穩定輸出3.3V.從圖一 A210的供電電路分析,加上硅二極管D1之後, LDO輸入電壓=3.5---0.7V=2.8V. 這樣只要模塊燒錄能夠在2.4V左右工做的程序,硅二極管也能夠在此電路中使用了.

不過, 從電路性能上來考慮, 使用鍺二極管或者肖特基二極管是最好的選擇.

具體採用什麼電路設計,還須要根據本身的產品其餘電路工做電壓範圍和特性, 成本等幾方面考慮了.