μP控制的Si9731型锂电池充电器的原理及应用【钜大锂电】

摘要：Si9731是一种可对1节锂离子电池或1~3节镍镉/镍氢电池进行脉冲充电的电池充电器IC。其电池充电可在系统处理器的直接控制下完成。文中介绍了Si9731的重要特点、内部结构、引脚功能和工作原理，并给出Si9731的设计要点。
关键词：集成电路；μp控制；充电器

1Si9731的重要特点

Si9731型电池充电器是一种单片IC，可在系统处理器控制下对3节NiCd/NiMH电池或1节锂离子电池进行脉冲充电。该IC内部的低导通电阻（RSD（CON））的MOSFET可在系统处理器施加的脉冲信号下，通过变化的占空比实现导通和关断，因而在大电流脉冲充电时具有非常小的热耗散。Si9731同时还供应涓流充电模式，可在电池被充到足够高的电压时唤醒处理器以进行充电处理和控制。Si9731内含精密电压参考和误差放大器，因此，也能为锂离子电池供应恒压（CV）充电。Si9731的重要特点如下：

●可对单节锂离子电池或1-3节NiCd/NiMH电池进行脉冲充电；

●集成有MOSFET，可在截止模式实现双向反向电流阻塞（blocking）；

●具有pWM控制快速充电模式和低电流涓流充电模式；

●通过引脚可选4.1V或4.2V的锂离子电池充电终止限制；

●具有过热、过压和外部关断模式，在关断状态，电池与外部电源完全隔离；

●充电器的输入、输出ESD保护可4kV；

●采用16引脚TSSOp封装，工作温度范围为-40℃~85℃;

Si9731的重要应用领域是蜂窝电话电池充电器和个人数字助理（pDA）中的电源充电等。

2内部结构和引脚功能

Si9731的引脚排列如图1所示，图2为其内部结构框图及部分外部元件连接方式。其引脚功能如表1所列。表1Si9731引脚功能

引脚名称

功能

1CHARGERpRESENTINCHARGERpRESENT（开路漏极）输出的（充电器出现）逻辑输入2CHARGERpOWER-ONINCHARGERpOWER-ONIN（开路漏极）输出的（充电器加电）逻辑输入3VCHARGER3～12V的外部充电器（输入）电压0N/OFF主机关闭脚。该脚为低电平，充电器关闭，静态电流低于是μA5TRICKLECHARGEEN选择该脚为高电平，涓流充电失能6CVMODE当MAINCHARGEEN脚为高电平时，一个逻辑高电平能使误差放大器线性驱动MOSFET（Q1）7MAINCHAREEEN在该脚上的一个外部pWM信号控制快速充电MOSFET（Q1）的开/关占空因数8，10N/C该脚不连接外部电路9VERF内部1.3V的精密带隙参考电压，该脚不施加负载11GND低阻抗系统地124.1V-TAp连接该脚至VBAT+，在恒压模式4.1V充电终止13TRICKLE-VBAT连接在该脚与至VBAT+之间的电阻限制涓流充电电流14VBAT+充电器输出，连接电池正端15CHARGERpOWER-ON（Q4）开路漏极输出16CHARGERpRESENT（Q3）开路漏极输出

3Si9731的充电过程

3.1涓流充电

充电通路可由Si9731内部的Q1和Q2N沟道MOSFET组成。当电池电压太低、主处理器不能驱动Si9731的7脚和5脚时，Q1截止，以防止快速充电。此时，由于Q2导通，电路可以获得从外部电源VCHARGRE(3脚)到电池的涓流充电通路。涓流充电电流重要由外部电流限制电阻器Rext设定.

公式如下：

ITRICKLE≈(VCHARGER-VBAT+)/Rext

当电池电压充至3.4V的最低电池工作电压时，内部锁存器被触发，15脚的输出将唤醒处理器并使5脚为高电平，其后电路将终止涓流充电并进入快速充电阶段。

3.2快速充电

用微处理器通过Si9731脚7的控制输入来对电池进行脉冲充电，并通过低导通电阻的Q1（MOSFET）来完成快速充电。处理器通过系统A/D转换器来监视电池电压，并通过改变脉冲充电占空比来维护快速充电。由于脉冲充电具有较短的导通时间和较长的截止时间，因而可承受足够大的充电电流。

当对NiCd或NiMH电池充电时，处理器通过感测VBAT+输出上的△V或dc/dt，或通过监视电池温度变化（△T）来结束快速充电模式。

锂离子电池的充电终止电压为4.1V或4.2V，当4.1V_TAp脚悬空时，可选择4.2V的充电终止电压。而将4.1V_TAp与VBAT+脚连接在一起时，VBAT+的终止电压是4.1V。当电池电压达到4.1V或4.2V的充电终止电压时，Si9731的CVMODE脚保持高电平，充电器进行恒压充电模式。在该充电模式下，电路认可的充电（OTC）信号输出为高电平，与反馈电阻器（RFB1、RFB2和RFB3）串联的Q5导通（接地），为内部误差放大器（E/A）供应反馈电压，并与同相输入端上1.3V的参考电压相比较。E/A出现的输出驱动Q1，使VBAT+保持在充电压上。图23.3认充电OTC（OKthcharge）信号与控制逻辑

Si9731含有使涓流充电模式和快速充电模式工作的默认充电（OTC）信号。为了能对电池充电，OTC信号必须保持在逻辑高电平上。为此，应当满足以下：

（1）电池电压低于5V；

（2）充电器输入电压VCHARGER高于2.6V但低于12.8V；

（3）当Si97317脚（MAINCHARGEEN）为低电平时，电压VCHARGER>VBAT+40mV。假如7脚为高电平，则VCHARGER>VBAT-40mV；

（4）ON/OFF脚为逻辑高电平。

利用一个加法器可驱动充电回路晶体管Q1，其驱动信号是一个数字信号与误差放大顺输出信号的组合，它们之间的关系如表2所列。表2Q1驱动信号之间关系

Q1驱动数字信号误差放大器输出Q1驱动电平LLL（完全截止）L居间居间（线性模式）HLH（完全导通）HH

3.4保护

（1）过压检测

当输入到Si9731脚3上的电压VCHARGER大于12.8V时，内部过压检测器将关断Q1、Q2和Q5，以终止充电。

（2）热关闭

Si9731内置热保护电路，一旦芯片结温超过130℃,电路将终止充电。而当结温降至120℃以下时，充电恢复。

（3）通过外部关断

在Si9731的ON/OFF脚施加一个不超过0.4V的电压时，电路进入关断模式，此时电路仅消耗不到0.1μA的静态电流。若在ON/OFF脚施加1.5~12V的电压，电路将被使能。为使Si9731总是保持使能状态，可将ON/OFF脚连接到VCHARGER脚。当Si9731使能时，电池电压检测电路从VBAT消耗的电流约为25μA。

4结束语

Si9731是一种由μp控制的电池充电器，该电路可对单节锂离子电池或1~3节NiCd或MiMH电池进行脉冲充电。Si9731的VCAHRGER脚的输入电压范围为4.5~12V，可由墙上的电源适配器供应。Si9731具有快速充电和涓流充电两种工作模式，并具有过压和过热保护功能。