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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
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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
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简化的锂离子电池应用系统
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锂离子电池的特性
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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。
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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
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CONFIDENTIAL 放电电流对容量的影响
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CONFIDENTIAL 开路电压(OCV) vs 放电容量
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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
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CONFIDENTIAL 电池充电电压与容量和寿命的关系
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CONFIDENTIAL 电池充电电流与电池寿命之间的关系 阻抗增加
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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
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最后的屏障 锂离子电池的保护
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保护电路
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保护电路IC内部框图
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充电策略及其实现
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三阶段策略
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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)
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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温度对充电策略的影响
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温度对电池容量、电压的影响
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RT9525应用电路
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温度测量电路的参数计算
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JEITA规范
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RT9519A应用电路
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RT9519A的温度检测方法和JEITA支持方法
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RT9528应用电路
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RT9528内部电路框图
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RT9528的固定温度检测点
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通过修改寄存器改变冷热判断温度
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温度对输出的影响——通过TS电压触发
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路径管理问题
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输入、充电器、电池和负载之间的关系
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串联 负载 电流先经过电池，再进入负载
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并联 负载 电流同时进入电池和负载；自动切换；电压有跳变。
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自动路径管理 负载 负载优先！ 43
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RT9525内部框图(部分)
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RT9525的输入电流限制
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APPM的表现形式
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让开关型Charger实现APPM 负载
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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。
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测试模式
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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。
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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
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电池电量计 了解电池充放电状况的工具
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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
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电池在实际系统中的放电曲线 电流！电压！时间！容量！
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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
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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
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库仑计方式电量计
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库仑计方式的误差累积和修正
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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
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电量计的优化过程
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实际表现
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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
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RT9420 概要 特点 =RT9428 WDFN-8L封装 应用电路简图
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过流、过压保护
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过压保护在系统中的位置
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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
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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。
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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
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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。
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关键参数
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