本文介绍了一个完整的充电电路的设计。单芯Li-Pol电池充电分为两个阶段:恒流(CC)，直到达到电压限制，然后恒压，直到电流低于设定的阈值，约为初始恒流的10%。Li-Pol电池是单芯电池，这是大众市场的常见选择。单芯LiPo充电器与Li-Pol电池本身集成到许多电子设备中，如手机和物联网产品。雷电竞官网登录常见的充电选择是调节+5伏电源，如USB电源，AC墙壁适配器等。

Li-Pol电池充电过程

除主要的充电阶段CC和CV外，还有预调节、顶出和维护模式。深度放电电池充电时需要进行预处理。

图1所示。Li-Pol电池充电过程

这种电池以低电流(10%满倍率充电电流)充电，直到电池电压达到3.0V。定时充电阶段持续为电池充电，在完成充电循环后提供最佳的电池容量。在这个周期中，当ICHG达到全速率充电电流的2.5%时，或当TTOPOFF超时时，以先发生的为准，充电终止。一旦卸顶阶段完成，维护模式就会监控电池电压，如果电压低于4.0V，就会启动新的充电周期。图1给出了各阶段和过渡，显示了与每个状态/状态过渡相关联的不同电压。

规格和功能

在这篇应用笔记中，我们将重点关注由调节的+5伏电源供电的Li-Pol单电池充电器，如USB端口电源。由于电源是稳压的，压降相对较低，因此选择了线性充电电路的方法。

它还将EMI辐射和屏蔽要求降到最低。为了实现高充电电流，我们采用GreenPAK IC作为控制电路和外部“电源”电路。GreenPAK是“利宝收费管理控制器”，主要功能如下:

全速率充电电流通过外部电阻编程，允许充电电流高达2500mA¹
注1:超过2500毫安的电流可以通过更换电流检测电阻来实现
高精度预设电压调节:4.2V±0.75%，可设置为:4.25V, 4.35V, 4.38V
内置多个安全定时器
充电状态指示
连续过流保护
接近耗尽的电池预调节可设置为:10%，20%，40% icg或禁用
具有自动充电的维护模式
充电结束控制可设置为5%，10%，15%或20% ICHG
电池存在检测
不良电池检测和指示

电源电路

图2。电力电路原理图

如图2的原理图所示:一个逻辑级PMOS晶体管被用作通型晶体管，可以从低功耗的OpAmp SLG88102V直接驱动。一个精密的分流电阻可以使用一个简单的电流镜OpAmp电路，实现高侧电流检测、调节和转换到接地基准。标准精度参考(TL431B)用于设置输出电压。该电路设计为限流电压调节器，CC/CV级过渡不需要控制动作。LED指示灯直接由GreenPAK驱动。

输出电压0.75%精度来自TL431B(0.5%)和带有0.1%精密电阻的电阻分压器。如果需要更紧的公差，可以选择更高精度的部件来实现。

电流限制由电流镜像电路中的电阻R2的值设定，100欧姆/安培。例如，对于2.5安培的电流限制，R2 = 250欧姆。电流检测电阻为0.1Ω，电压降小，电流可达2.5安培。在此之上，电流检测电阻的值应该更低，以降低电压降，例如0.05Ω。对于除0.1Ω以外的电流检测电阻，必须重新计算电流镜像电阻R2: R2 = icg * Rcs / 1mA。在选择电流检测电阻时，不要忘记考虑其额定功率。

对于充电电流高达500mA(电池容量500mAh)，通过晶体管不需要散热器，因为功耗小于1W。高于该电流，通晶体管应安装在散热器，以避免过热。最坏情况下，每0.5安培充电电流约为1W (6W @ 3Amps)。

对于ΔT和电池容量CB的最大温度升高，散热器热阻必须小于RHS =ΔT/（2 * CB / 1000）。例如，ΔT= 20℃和Cb = 2500mAh产生热阻Rhs≤20/ 5 = 4°C / w。

遵循适当的PCB布局规则，如高电流路径的宽/短迹线，以及用于电压感测的单独迹线。

GreenPAK设计

选择SLG46531V GreenPak 5为此设计，因为它提供异步状态机块和4个模拟比较器，具有丰富的附加逻辑块。如图3所示，GreenPak设计是模块化的：

模拟模块，带有电池电压和充电电流的模拟比较器，
基于GreenPAK ASM模块的控制模块
计时模块
用于指示灯控制的信号模块
I2C串行通信的接口模块

模拟模块

Li-Pol电池充电要求精确的电池电压测量和紧密的公差，以正确和安全的工作。这就是为什么外部参考电压、分压器和低偏移运算放大器被用于该部分。

电流测量几乎与电池电压测量几乎是关键的，并且对于阶段转换的电压阈值也是如此。GreenPak内部比较器完全由这些任务完全取决于这些任务，并且不需要外部组件。

为控制利宝充电曲线，必须实施至少2个阈值:

1a)预处理阈值(电池电压3V)

2a)充电端阈值(10%充电电流)

有关额外充电器功能：电池检测，维护模式/自动充电和顶部关闭模式，需要3个阈值：

1b)电池检测(输出电压超过4.5V)

2b)充电阈值(电池电压低于4.0V)

3B）托盘端阈值（2.5％的充电电流）

图3。GreenPAK设计示意图

由于SLG46531V只有4个比较器，所以在取顶级时，一旦检测到EOC，则通过缩放电流检测信号来实现取顶级的第5个阈值。ScCS信号关闭一个额外的电阻，降低电流检测电阻分压器的比率，从而增加GreenPAK输入管脚的电流检测信号。由于比较器阈值保持不变，充电电流需要进一步下降才能达到新的阈值。

为了避免噪声触发问题，所有的比较器都被编程为25mV迟滞。

电池检测是基于电压感知输入(VS引脚)上的弱上拉电阻。如果没有连接电池，上拉电阻会将比较器输入的电压提高到正电源(5V)，超过常规Li-Pol电池的最大限制。当电池连接时，它会定义VS引脚的电压，小的上拉电流不会影响它。

基于GreenPAK ASM模块的控制模块

控制电路的实现是基于GreenPAK的状态机功能。在8种可用状态中，6种用于捕获电池/充电器的相关状态，一种用于电流限制水平，一种用于阻塞充电器。

图4。ASM连接

应用2位和3位LUT块以形成ASM状态转换的控制信号。

状态信号以ST_前缀命名，并进一步用于定时和信令模块。当ASM处于相关状态/充电器处于相关阶段时，它们是活动的“1”。

FRCHG信号将电流限制为满速率。它在充电和充放电阶段是活跃的。阻塞信号覆盖外部电路控制回路并关闭通管，从而停止充电器。它在除充电状态外的所有状态中都是活跃的:预处理、充电和关机。

控制模块可以通过I2C命令或下拉“使能”引脚停止。“启用”引脚有100K上拉，所以充电器默认启用。

启用/禁用来自I2C块控制打开LUT门的信号。这使得I2C能够控制ASM转换。I2C控制信号如表1所示：

表1。I2C控制信号

信号	位置	默认
禁用充电器	I2C→OUT0	0,启用
禁用预处理	I2C→着干活	0，没有禁用
禁用顶部	I2C→OUT2	0，没有禁用

图5。GreenPAK中的状态图

ASM设计

如图5所示，三种主要状态涵盖了充电的三个阶段:预充、充电和满充，其他状态控制着不充电时段。ASM初始状态为“无电池”，因为充电器可能在没有电池连接到充电器输出时仍在供电。当连接电池时，电路会自动检测电池的存在并开始充电。如果电池未深度放电，则电池电压已经高于3.0V, ASM会立即切换到满倍率充电阶段，否则稍后会发生过渡。如果预处理阶段或充电阶段持续时间过长，相关定时器会将ASM设置为“坏电池”状态。

一旦进入这一阶段，只有通过移除输入电源或通过外部命令(I2C命令“禁用充电器”或下拉“使能”引脚)才能清除坏电池状态。

计时模块

如图6所示，计时模块包括以秒和分为间隔产生信号的时钟电路。秒表用于LED指示灯，分表用于安全计时器。

图6.定时模块设计

安全定时器的范围从分钟到小时，所以CNT/DLY块用于实现定时器的相关阶段，由低频分钟时钟提供。分钟由两个级联的CNT/DLY块将25kHz的内部OSC频率分割而成，第一个块形成1Hz(秒)时钟，第二个块形成1/60Hz(分钟)时钟。

计时器在相关的ASM输出信号时启动，并在定时器到期时断言其输出（TPREC，TCHG或TTOP）。

通过I2C块设置相关CNT/DLY块的计数器值，可以对安全计时器的持续时间进行编程。取值单位为分钟。可用于预处理和关闭定时器的范围是8位(1到255)，充电定时器的范围是16位(1到65535)。表2中默认值为:

表2。计时器的默认值

计时器	默认	范围
预处理	30分钟	1-255分钟
收费	5小时(300分钟)	1-65535分钟（1000小时）
完成	30分钟	1-255分钟

指示灯和信令模块

该电路用于驱动两个LED作为状态和操作指示器。绿色LED“充电”表示使用脉冲代码的所有三个充电状态：

短脉冲：预处理阶段
50:50脉冲:满速率充电阶段
长脉冲(反向短脉冲):顶部关闭阶段
亮:维护模式(电池满)
:没有电池

红色LED“坏电池”表示错误状态，如果所连接的电池不能使用或不能充满电。这个指示器也会激活，例如，一个电阻是连接到输出而不是电池。

图7.充电指示灯电路

图7显示了使用一个CNT/DLY块和3位LUTs实现的指示灯电路。CNT/DLY块用于从1Hz(秒)时钟发出对称50:50的信号，用于指示满速率充电模式。LUTs根据ASM状态选择指示模式。

表3. I2C可编程参数

输出电压	4.2 v	4.25 v	4.35V.	4.38 v
拉下StVREG销	不	1米Ω	100 kΩ	不
STVREG信号	离开	离开	离开	在

预处理	10％Ichg.	20% ICHG	40％ICHG.
拉下StIPREC销	不	10 kΩ	纳米
STIPREC信号	离开	离开	(排水明沟)

转换端	5％Ichg.	10％Ichg.	15% ICHG	20% ICHG
拉下CS引脚	1米Ω	1米Ω	1米Ω	不
拉下ScCS引脚	100 kΩ	1米Ω	不	不
分比	1/4	~ 1/2 (0.51)	2/3	1
开ScCS的分压比(上-下级)	0．15	0．15	0．15	0．17

接口模块

接口模块利用GreenPak I2C通信功能。它能够实现外部信令，例如，使用MCU或单板计算机。信令可以进行编程充电器参数，控制充电器操作并监控充电过程。

可编程参数（如表3所示）：定时器持续时间，启用/禁用预处理阶段，使能/禁用顶部关闭阶段，输出电压（4.2V，4.25V，4.35V，4.38V），设置预处理电流水平（10％，20％，40％ICHG），设定充电结束阈值（5％，10％，15％或20％ICHG）监测状态：通过读取相关定时器（计数器）通过读取ASM状态/输出，阶段持续时间，引脚状态，回读当前设置。

图8。GreenPAK仿真窗口

性能

充电器电路的主要特性如下表4所示。

测试GreenPAK设计

使用GreenPAK Designer Development Suite中包含的GreenPAK仿真工具对该IC设计进行测试(图8)。使用模拟信号发生器模拟电压和电流感知输入。

自定义信号旨在覆盖标准充电型材的所有阶段。电池充电是一个很长的过程，因此为了实现有效的测试，每个阶段都加速到模拟持续时间为10秒钟。这是足够的时间检查相关控制信号，并且仍然是一个完整的测试循环少于2分钟。

表4。电特性

I2C工具用于检查内部信号状态，如ASM输出、模拟比较器输出以及内部计数器的状态。

GreenPak生成的控制信号可用于GreenPak通用开发板的测试引脚。图在图9中示出。9。

图9。示例测试图

最终测试

为了进行最终测试，将电源电路组装在一个面包板上，并使用贴片线与GreenPAK通用开发板连接。面包板上没有连接外部led，因为GreenPAK开发板上已经有led了。

测试电池是在中国制造的平板电池2400mAh 3.7V。电流镜电阻设置为250Ω，将全速率充电电流ICHG限制为2.4。充电结束电流设定为10％。ichg。

定时器设置为默认值：预处理30分钟，充电5小时，顶部关闭30分钟。在开始测试之前，使用2Ω电阻放电电池。该电池具有内置过放电保护，当电压低于2.5V时，它会关闭到高阻抗状态。

因此，不可能为了展示充电器的预调节功能而耗尽这个特殊的电池。

测试开始时，电池电压低于3V，将充电器插入电源。连接电池到充电器触发从没有电池州到了预处理阶段。当电池连接到充电器时，电池电压上升到3.0V以上，充电器转换为收费级，充电电流限制为满速率电流ICHG。预处理阶段太短，在图10中看不到。在充电过程中，绿色LED指示充电阶段。测量电池电压和充电电流如图10所示。恒流阶段持续约15分钟，恒压阶段持续2小时以上。通过调节电压误差放大器的增益，可以改变CC与CV的定时比。

图10。GreenPAK普遍发展理事会

增益越高，CC阶段越长。

一旦充电电流低于充电结束阈值，充电器关闭通管并进入维护模式。充电电流降至零，电池电压稍微下降一段时间(电池的正常化学过程)，但几分钟后稳定下来。

结论

市场上有许多专门为Li/Pol电池充电设计的集成电路。它们通常是成熟的，低功耗，功能丰富，高性能，可编程额外的灵活性，在一个有竞争力的价格。提出的GreenPAK IC解决方案并不能完全取代这些方案。

图11.测量的充电轮廓图

然而，专门的ic仍然是相对有限和固定的。雷竞技安卓下载这种基于GreenPAK IC的充电器解决方案很受欢迎的应用是那些需要特定功能的专用IC无法提供的应用。GreenPAK中有多余的电路，可以实现与电池充电过程相关的功能，或者其他一些可能需要的完全独立的硬件功能。

本应用说明并不打算涵盖锂宝电池的所有配置和容量的充电。其目的是展示GreenPAK生态系统的灵活性，以及它如何提供正确的解决方案，以适当的设计覆盖所有这些问题。

AN-1166 Li Pol电池充电器使用GreenPAK状态机

参考文献

介绍