鋰離子電池因其高能量密度、長循環(huán)壽命等特性，已成為消費電子、電動汽車等領(lǐng)域的核心儲能元件。然而，其充電過程需嚴格遵循“恒流-恒壓”兩階段控制策略，以避免過充導(dǎo)致的熱失控或容量衰減。本文從電路拓撲、控制邏輯及工程實現(xiàn)三個維度，解析恒流/恒壓（CC/CV）充電管理芯片的設(shè)計要點。

一、恒流充電階段：精準電流控制是核心

恒流階段需將充電電流穩(wěn)定在設(shè)定值（通常為0.2C-1.0C），直至電池電壓升至截止閾值（如4.2V）。其核心電路包含電流采樣、誤差放大和功率調(diào)節(jié)三部分：

電流采樣電路：采用高精度采樣電阻（如0.1Ω）串聯(lián)于充電回路，通過差分放大器（如INA199）將采樣電壓放大至芯片可處理范圍。例如，TP4056芯片通過PROG引腳外接電阻設(shè)置充電電流，其公式為：

其中

VPROG

為內(nèi)部基準電壓（1V），通過調(diào)整

RPROG

阻值可實現(xiàn)0.1A-1A的電流調(diào)節(jié)。

誤差放大器設(shè)計：使用對稱性跨導(dǎo)運算放大器（OTA）構(gòu)建電流環(huán)路，其輸入端連接采樣電壓與基準電壓，輸出端驅(qū)動功率管柵極。以FS4068芯片為例，其內(nèi)部集成改進型OTA，可在1MHz開關(guān)頻率下實現(xiàn)±1%的電流精度，同時通過Ⅲ型補償網(wǎng)絡(luò)抑制高頻振蕩。

功率調(diào)節(jié)模塊：采用Buck變換器拓撲，通過PWM調(diào)制控制功率管（如NMOS）的導(dǎo)通時序。當電感電流達到采樣閾值時，比較器觸發(fā)關(guān)斷信號，能量通過二極管轉(zhuǎn)移至電池。此過程循環(huán)進行，形成穩(wěn)定的恒流輸出。

二、恒壓充電階段：電壓閉環(huán)控制是關(guān)鍵

當電池電壓升至截止閾值后，充電模式切換為恒壓階段，此時需將電壓穩(wěn)定在4.2V±0.05V，同時電流逐漸衰減至終止閾值（如0.01C）。其設(shè)計要點包括：

電壓采樣與基準源：采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（如100kΩ+22kΩ）對電池電壓進行采樣，與內(nèi)部2.5V基準源比較。FS4068芯片通過雙電平檢測技術(shù)，在電池電壓首次達到16.8V時啟動恒壓模式，第二次達到閾值時終止充電，避免誤觸發(fā)。

動態(tài)補償網(wǎng)絡(luò)：恒壓階段需應(yīng)對負載突變（如電池內(nèi)阻變化）引起的電壓波動。TP4056采用Ⅲ型補償網(wǎng)絡(luò)，通過零極點對消提升相位裕度，確保環(huán)路穩(wěn)定性。仿真數(shù)據(jù)顯示，在0.1A-1A負載跳變時，電壓過沖小于50mV，恢復(fù)時間低于10μs。

充電終止邏輯：通過電流檢測電阻（如0.05Ω）監(jiān)測充電電流，當其降至終止閾值時，芯片關(guān)閉功率管并輸出終止信號。CL4056芯片采用雙引腳（CHRG/STDBY）指示充電狀態(tài)，紅色LED亮表示充電中，熄滅表示終止。

三、工程實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)

環(huán)路切換平滑性：恒流向恒壓切換時，需避免電壓或電流突變。基于0.5μm CMOS工藝的充電芯片通過電壓前饋技術(shù)，將電池電壓實時反饋至電流環(huán)路，實現(xiàn)切換過程無超調(diào)。

保護機制集成：現(xiàn)代充電芯片普遍集成過溫、過壓、短路保護功能。例如，DW01芯片通過CS引腳檢測放電電流，當電壓超過150mV時關(guān)閉MOS管，防止電池過放。

低功耗設(shè)計：針對便攜設(shè)備需求，芯片需具備休眠模式。TP4056在輸入電壓與電池電壓差小于30mV時進入休眠，靜態(tài)電流降至2μA以下，顯著延長待機時間。

四、應(yīng)用案例：四節(jié)鋰電池充電管理

FS4068芯片在電動工具中的應(yīng)用展示了CC/CV控制的工程價值。該芯片支持1.6A充電電流，通過外置NMOS管實現(xiàn)同步整流，效率達92%。在-40℃至85℃溫寬內(nèi)，其恒流精度保持±3%，恒壓精度±0.5%，滿足IEC 62133標準要求。

恒流/恒壓控制電路是鋰離子電池充電管理的核心，其設(shè)計需兼顧精度、效率與可靠性。隨著GaN器件與數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，未來充電芯片將向更高功率密度、更智能化的方向演進，為新能源領(lǐng)域提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。