鋰電池充電芯片是鋰電池充電管理的核心器件，其核心功能是將輸入電壓（如 USB 5V、適配器 12V 等）轉換為適合鋰電池充電的恆流 / 恆壓（CC/CV）信號，同時實現過壓、過流、過温、反接等保護，確保充電安全、高效。以下從核心工作邏輯、充電階段、關鍵模塊原理、典型拓撲四個維度詳細解析：

如何瞭解CC/CV充電特性，本文告訴你鋰電池充電芯片的原理_工作原理

一、核心工作邏輯

鋰電池（如鋰鈷酸、磷酸鐵鋰）的充電特性決定了充電芯片必須遵循 “先恆流、後恆壓”（CC/CV） 基本策略：

  • 鋰電池電壓低於 “預充閾值” 時，芯片輸出小電流預充（激活電池，避免大電流衝擊虧電電池）；
  • 電壓達到預充閾值後，進入恆流充電階段（快速補充電量，電流恆定）；
  • 電壓接近電池滿電電壓（如鈷酸鋰 4.2V、磷酸鐵鋰 3.65V）時，切換至恆壓充電階段（電壓恆定，電流逐漸減小）；
  • 當充電電流減小至 “終止電流閾值”（如恆流階段的 10%），芯片停止充電（避免過充）。

芯片通過反饋採樣實時監測電池電壓、充電電流、芯片温度，動態調整輸出信號，並觸發保護機制（如過温時降流或停充）。

二、鋰電池充電的三個核心階段（以鈷酸鋰電池為例）

1. 預充階段（Trickle Charge）

  • 觸發條件電池電壓 VBAT<VPRE（預充閾值，典型值 2.8~3.0V）。
  • 工作原理芯片輸出小電流（通常為恆流階段電流的 10%）對電池進行預充，逐步提升電池電壓至預充閾值，避免大電流直接衝入虧電電池導致內部鋰 plating（鋰析出），損壞電池。
  • 關鍵監測芯片通過採樣電阻監測電池電壓，達到 VPRE 後自動進入下一階段。

2. 恆流充電階段（Constant Current, CC）

  • 觸發條件電池電壓 VBAT≥VPRE 且 VBAT<VFLOAT（滿電恆壓值，如 4.2V）。
  • 工作原理芯片通過內部功率管（MOSFET）調節輸出電流，使其保持恆定（如 1A、2A，由芯片引腳配置或外部電阻設定），快速為電池補充電量（此階段充電量約佔總電量的 80%）。
  • 電流控制方式
  • 外部串聯採樣電阻RSENSE，芯片監測電阻兩端壓 VRS=ICHG×RSENSE；
  • 若 VRS 超過內部參考電壓，芯片減小功率管導通時間，降低充電電流；反之則增大導通時間，確保 ICHG 恆定。

3. 恆壓充電階段（Constant Voltage, CV）

  • 觸發條件電池電壓 VBAT≥VFLOAT。
  • 工作原理：芯片固定輸出電壓為 VFLOAT（精度通常 ±1% 以內），此時電池電壓接近滿電，充電電流隨電池內阻和剩餘容量逐漸減小。
  • 電壓控制方式
  • 芯片通過分壓電阻採樣電池電壓VBAT，與內部基準電壓（如 1.25V）比較；
  • 若VBAT低於VFLOAT，芯片增大功率管導通時間，提升輸出電壓；反之則減小，確保 VBAT 穩定在 VFLOAT。
  • 終止條件當充電電流減小至 ITERM（終止電流，如恆流階段的 5%~10%），芯片判斷電池滿電，停止充電（或進入低功耗浮充模式）。

三、充電芯片的關鍵模塊及原理

1. 輸入電壓調節模塊（AC-DC/DC-DC 轉換）

  • 若輸入為交流（如適配器 100~240V），芯片集成整流、濾波、PWM 降壓電路，將交流轉換為直流（如 12V→5V）；
  • 若輸入為直流（如 USB 5V），芯片通過同步 / 異步降壓拓撲（Buck Converter）將輸入電壓降至電池充電所需電壓（如 5V→4.2V），核心是通過 PWM（脈衝寬度調製）控制功率管的導通與關斷，調節輸出電壓 / 電流。
  • 同步降壓 vs 異步降壓：
  • 異步：低壓側用二極管續流，成本低但效率中等（85%~90%）；
  • 同步：低壓側用 MOSFET 續流，效率更高（90%~95%），發熱小，適合大電流充電。

2. 採樣與反饋模塊

  • 電壓採樣通過外部分壓電阻 R1/R2 採樣電池電壓 VBAT，反饋至芯片內部誤差放大器（EA），與基準電壓比較後輸出控制信號，調節 PWM 佔空比。
  • 分壓公式：VFB=VBAT×R1+R2R2（VFB 為芯片反饋引腳參考電壓，通常為 1.25V 或 2.5V）。
  • 電流採樣串聯採樣電阻 RSENSE 於充電迴路，芯片採樣電阻兩端電壓，通過電流反饋環路調節 PWM，維持充電電流恆定。
  • 温度採樣部分芯片支持 NTC 熱敏電阻採樣電池温度，當温度超過 45℃（或低於 0℃）時，降流或停充（鋰電池最佳充電温度 0~45℃）。

3. 保護模塊（安全核心）

充電芯片必須集成多重保護機制，避免過充、過流、過温等風險：

  • 過壓保護（OVP）若電池電壓異常超過 VFLOAT+0.1V（或輸入電壓過高），芯片立即關斷功率管，停止充電；
  • 過流保護（OCP）充電電流超過設定值（如恆流階段的 1.5 倍），芯片降流或停充；
  • 過温保護（OTP）芯片結温超過 125℃（典型值），通過降流或停充降温，避免芯片燒燬；
  • 反接保護電池正負極接反時，芯片內部二極管或 MOSFET 截止，防止大電流損壞芯片和電池；
  • 欠壓保護（UVP）電池電壓過低（如 2.5V），禁止充電，避免電池過放損壞。

4. 狀態指示模塊

通過 LED 燈指示充電狀態：

  • 充電中：LED 常亮或慢閃；
  • 滿電：LED 熄滅或快閃；
  • 故障（如過温、反接）：LED 閃爍報警。

如何瞭解CC/CV充電特性，本文告訴你鋰電池充電芯片的原理_封裝_02

四、典型充電芯片拓撲結構（以異步降壓型為例）

以常用的線性充電芯片（如 TP4056）和開關型充電芯片（如 BQ24195）為例，拓撲差異如下：

類型

核心拓撲

優點

缺點

適用場景

線性充電芯片

線性穩壓拓撲

結構簡單（無電感）、成本低、EMI 小

效率低（輸入 - 輸出壓差越大，效率越低）、發熱大

小電流充電（≤1A），如藍牙耳機、智能手錶

開關型充電芯片

Buck 降壓拓撲

效率高（90%~95%）、發熱小、支持大電流（≥2A）

結構複雜（需電感、電容）、EMI 略大

手機、平板、充電寶等大電流充電場景

線性充電芯片（TP4056）簡化原理：

  • 輸入電壓 5V，通過內部 PNP 功率管降壓至 4.2V；
  • 外部電阻 RPROG 設定恆流充電電流（ICHG≈1.2V/RPROG）；
  • 採樣電阻監測充電電流，分壓電阻採樣電池電壓，實現 CC/CV 控制；
  • 集成過温、過壓、反接保護，LED 指示充電狀態。

開關型充電芯片（BQ24195）簡化原理：

  • 輸入電壓 4.35~17V，通過同步 Buck 拓撲將電壓降至 4.2V；
  • 內部集成高 / 低壓側 MOSFET，無需外部續流二極管；
  • 支持 I²C 通信配置充電電流、滿電電壓、終止電流等參數；
  • 集成電池温度監測、輸入限流保護，適合快充場景。

五、關鍵參數選型（工程師實戰重點）

  1. 充電電流根據電池容量選擇（如 18650 電池容量 2000mAh，可選 1A 充電芯片，充電時間約 2~3 小時）；
  2. 滿電電壓（VFLOAT）鈷酸鋰 4.2V，磷酸鐵鋰 3.65V，三元鋰 4.35V（需匹配電池類型）；
  3. 效率大電流充電優先選擇開關型芯片（效率≥90%），避免發熱過大；
  4. 保護功能必須支持 OVP、OCP、OTP、反接保護；
  5. 接口需I²C配置參數（如調整充電電流），選擇支持I²C的芯片（如 BQ24195）；
  6. 封裝小體積場景選擇 SOT23、QFN 封裝（如 TP4056 為 SOP8 封裝）。

總結

鋰電池充電芯片的核心是通過 CC/CV 兩階段充電策略匹配鋰電池特性，結合採樣反饋、功率轉換、多重保護模塊，實現安全、高效的充電管理。工程師在實際應用中，需根據電池類型（鈷酸鋰  /  磷酸鐵鋰）、充電電流、輸入電壓範圍選擇合適的芯片，並通過外部電阻（採樣電阻、分壓電阻）配置關鍵參數，同時注意散熱設計（尤其是線性芯片和大電流開關芯片）。

如何瞭解CC/CV充電特性，本文告訴你鋰電池充電芯片的原理_封裝_03

常見主流充電芯片：

  • 線性型：TP4056（經典入門）、ME4056（高集成度）；
  • 開關型：BQ24195（I²C配置、大電流）、MAX1757（快充支持）、IP5306（集成移動電源管理）。