锂离子电池管理中的 问题与解决方案 郑刚 封面：分為上下標，且在報告人及部分都有詳細分列 2014年8月

以电池为核心的移动系统 OVP Charger MUIC WLED Driver Audio Codec Buck LDO CONFIDENTIAL 以电池为核心的移动系统 OVP Charger MUIC WLED Driver Audio Codec Buck LDO

简化的锂离子电池应用系统

锂离子电池的特性

锂离子电池的等效电路 Qmax：最大化学容量 EDV：放电终止电压 Quse<Qmax Quse 决定于 IR 电压降 和 EDV CONFIDENTIAL 锂离子电池的等效电路 End-of-Discharge Voltage Qmax：最大化学容量 EDV：放电终止电压 Quse<Qmax Quse 决定于 IR 电压降 和 EDV RBAT 随寿命增长 1.這是一個簡單的電池等效示意圖，有一個OCV的電壓源加上一個內阻。 2.圖的y軸是電池的電壓，x軸是放電的電荷量。 3.電池充飽的電壓是4.2V，放電的過程，電池電壓會愈來愈低，直到EDV的電壓時， 系統就會截止，而OCV 曲線截止時所對應到的電荷量為Qmax。 4.如果將內阻考慮進來，則曲線會有一個IR drop，因此，會提早碰到EDV，此時所得到的電荷量為Quse， 所以當內阻愈大(老化時)或電流愈大Quse會愈低，使用者會感到愈來愈沒電。

电池的寿命 极低电流放电 正常电流放电 阻抗增加 Qmax 衰减 特性变化明显 随寿命不同，同样电流导 致的影响不同 特性几乎恒定不变 CONFIDENTIAL 电池的寿命 Qmax 衰减 阻抗增加 极低电流放电 特性几乎恒定不变 最大容量降低极小 正常电流放电 特性变化明显 随寿命不同，同样电流导 致的影响不同 6

CONFIDENTIAL 放电电流对容量的影响

CONFIDENTIAL 开路电压(OCV) vs 放电容量

OCV vs DOD(放电深度，以其 Qmax归一化) CONFIDENTIAL OCV vs DOD(放电深度，以其 Qmax归一化) Batteries with distinct capacity Normalized to their own Qmax

CONFIDENTIAL 电池充电电压与容量和寿命的关系

CONFIDENTIAL 电池充电电流与电池寿命之间的关系 阻抗增加

CONFIDENTIAL 温度、DOD 和 RBAT 的关系 温度升高导致电池内阻降低 (NTC) / 深度放电导致内阻提高

最后的屏障 锂离子电池的保护

保护电路

保护电路IC内部框图

充电策略及其实现

三阶段策略

充电IC分类 线性充电IC 开关式充电IC RT9450A RT9451(12V，4A ) RT9531/5/8(30V) RT9502 RT9532H RT9536 SS6000 开关式充电IC RT9450A RT9451(12V，4A ) RT9531/5/8(30V)

线性充电 具有可调电流限制的线性稳压器 电流限制 调整目标： 充电电流 (CC) - 不同阶段有不同的电流限制 2. 电池电压 (CV) 3. 发热状况 具有可调电流限制的线性稳压器

线性充电的特点 易于控制 低噪声 外部元件少 大量功率消耗在MOSFET上 (导致电池发热、降级) 5. 电流越大，消耗越大 5. 电流越大，消耗越大 适合于低容量电池应用

开关式充电 (电流放大器) 具有可调电流限制的Buck型降压电路 VIN=5.0V, VBAT=3.3V, Icharge=1.25A 能量流动方向 VIN=5.0V, VBAT=3.3V, Icharge=1.25A 调整目标： 充电电流/ 输入电流限制 (CC) - 电流限制 2. 电池电压 (CV) 3. 发热状况 具有可调电流限制的Buck型降压电路

开关式充电与线性充电的差异 输入电流限制 模式 恒功率 充电 VBAT↑  IBAT↓ 通常IBAT > IIN limit (IBAT>500mA when USB500) 充电电流调整 模式 恒定IBAT 充电 VBAT ↑  IIN ↑ 充电曲线与线性充电相同

开关式充电的充电曲线 USB 输入 (5.0V,500mA) 电流 受限 充电 电流 调整 USB 输入 (5.0V,500mA) 线性充电电流=500mA；开关式充电电流=(500mA / D) =833mA (D=0.6) ~ 595mA (D=0.84) 在输入限流情况下充电更快 (不考虑电池发热问题, IC<1C)

1500mAH电池充电曲线比较 节约 11% 时间 @ 终止充电电流= 100mA 开关式 USB500  1500mAhr 线性

开关式充电IC的逆应用——支持OTG VBAT=3.8V, OTG=5.0V, Load=0.15A 能量流动方向

开关式充电的特点 MOSFET功率消耗少 大电流充电效率高 低输入电流应用时，充得更快 4. 支持USB-OTG设备 (Boost模式) 控制结构复杂 有开关噪声 (EMI 问题) 外部元件多

温度对充电策略的影响

温度对电池容量、电压的影响

RT9525应用电路

温度测量电路的参数计算

JEITA规范

RT9519A应用电路

RT9519A的温度检测方法和JEITA支持方法

RT9528应用电路

RT9528内部电路框图

RT9528的固定温度检测点

通过修改寄存器改变冷热判断温度

温度对输出的影响——通过TS电压触发

路径管理问题

输入、充电器、电池和负载之间的关系

串联 负载 电流先经过电池，再进入负载

并联 负载 电流同时进入电池和负载；自动切换；电压有跳变。

自动路径管理 负载 负载优先！ 43

RT9525内部框图(部分)

RT9525的输入电流限制

APPM的表现形式

让开关型Charger实现APPM 负载

动态功率管理(DPM)——MIVR 当电源供电能力低于系统和充电之需时，DPM起作用： 输入电压降低，调整目标变成稳定输入电压至设定值。 接系统 当电源供电能力低于系统和充电之需时，DPM起作用： 输入电压降低，调整目标变成稳定输入电压至设定值。

测试模式

RT9532的测试模式 Factory：工厂模式/测试模式 输入限流模式(AICR) 无需电池(No EOC) USB100：95mA CONFIDENTIAL RT9532的测试模式 Factory：工厂模式/测试模式 无需电池(No EOC) 输出电流最大 2.3A 没有热调整 方便测试 输入限流模式(AICR) USB100：95mA USB500：395mA I Set：up to 1.2A 需要有电池或电池模拟器以防止进入EOC状态。

RT9450A的测试模式 No Battery 无需电池，自动输出4.3V电压，负载能力2.3A，不做热管理

电池电量计 了解电池充放电状况的工具

OCV vs DOD(放电深度，以其 Qmax归一化) CONFIDENTIAL OCV vs DOD(放电深度，以其 Qmax归一化) Batteries with distinct capacity Normalized to their own Qmax

电池在实际系统中的放电曲线 电流！电压！时间！容量！

电量计概览 方法 优势 劣势 OCV 表检索 库仑计 动态电压模型 + 只测电压，不测电流 查表法，容易实施 动态负载下 SOC 不准确 报告剩余电量(mAh) 报告 SOC(%) 能补偿动态负载影响 单次放电SOC精度高 需要充满/放空学习周期 需要电流检测电阻 计量误差会累积 自放电导致误差 动态电压模型 无需学习周期 无需电流检测，直接报告SOC(%) 无累积误差 动态负载下响应速度慢 不能报告剩余电量（无电流信息和容量信息） + 省略学习曲线 报告SOC(%) 幾種不同架構之GAUGE 比較 SOC 由動態電壓模型與coulomb counter 計算與判斷

OCV 表检索 优势 劣势 充电、放电电压不同 不同负载下电压不同 容易实施，无需复杂算法 充、放电下误差巨大 不同负载下误差巨大 仅适合要求不高的应用 充电、放电电压不同 不同负载下电压不同

库仑计方式电量计

库仑计方式的误差累积和修正

动态电压模型的实现 RT9428 根据电池电压确定SOC，其算法是基于电池电压的迭代模型 (VoltaicGaugeTM)。 SDA Battery OCV Model I2C Interface SCL RT9420 經由OCV 資訊與動態電池電壓模型計算並判斷出SOC 因為 voltage-based 架構，不會有電流與時間造成之累積誤差 coulomb gauge 會因電流量測誤差與無法量測到電流的自放電而造成SOC漂動 無累積誤差為voltage based 架構之優勢 12-bit ADC VBAT VoltaicGauge Algorithm ALERT Controller

电量计的优化过程

实际表现

RT9428 概要 特点 应用电路简图 系统侧电量计 基于动态电压模型(VoltaicGauge TM )算法的精确相对容量(RSOC) 无需充满/放空学习周期 平滑的SOC信息，无累积误差 不需要电流检测电阻 低电量报警 低功耗(22mA/1mA) I2C接口 WL-CSP-8B封装 应用电路简图

RT9420 概要 特点 =RT9428 WDFN-8L封装 应用电路简图

过流、过压保护

过压保护在系统中的位置

RT9718 ——过压保护IC 集成4种保护功能 输入电压过压保护 电池过压保护 可设定过流保护 过热保护 OVP ic與charger ic的差別

VIN OVP 1 2 3 8ms 过压发生，开关断开。响应时间1ms。 过压结束，定时开始。 恢复时间到，开关重启。

电池OVP 3 1 2 电池发生过压状况(4.35V) 持续180ms后开关断开（电压回落30mV后恢复） OVP连续发生16次后，开关永久性截止，直至POR

OCP 1 3 2 64ms 过流状况持续180ms，开关截止。 64ms恢复时间后，开关重启。 过流连续发生16次，开关永久性截止，直至POR。

关键参数

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