MTK65XX平台充电调试总结

MTK平台充电调试总结

 

 

摘要：调试电池的充放电管理，首先需要深入了解锂电池的电池原理和特点，充放电特性以及基本的电池安全问题。然后需要对MTK的电池管理驱动程序有深入的了解，理解电池充放电算法的基本原理。在此基础上，对充放电导致的问题进行调试优化。

 

 

一、 锂电池工作原理和特性

1.工作原理：

锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极。它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。

2.主要性能：

锂离子电池的额定电压为3.7V（少数的是3.8V）。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关，目前手机上主流的参数为4.35V。充电时要求终止充电电压的精度在±1％之内。锂离子电池的终止放电电压为2.4～2.7V（电池厂家给出工作电压范围或终止放电电压的参数略有不同）。高于终止充电电压及低于终止放电时会对电池有损害。其使用有一定要求：充电温度：0℃～45℃；保存温度：-20℃～+60℃。锂离子电池不适合大电流充放电。一般充电电流不大于1C，放电电流不大于2C（C是电池的容量，如C=950mAh，1C的充电率即充电电流为950mA）。充电、放电在20℃左右效果较好，在负温下不能充电，并且放电效果差（在-20℃放电效果最差，不仅放电电压低，放电时间比20℃放电时的一半还少）。

 

3.充放电特性

 

A．锂电池的充电特性: 

1.在充电前半段，电压是逐渐上升的; 

2.在电压达到4.2V后，内阻变化，电压维持不变;    

3.整个过程中，电量不断增加; 

    4.在接近充满时，充电电流会达到很小的值。 

    经过多年的研究，已经找到了较好的充电控制方法:   

1.涓流充电达到放电终止电压2. 7V ；

2.使用恒流进行充电，使电压基本达到4.2V。安全电流为小于0.8C；

3.恒流阶段基本能达到电量的80%；

4.转为恒压充电，电流逐渐减小；

5.在电流达到较小的值(如0.05C)时，电池达到充满状态。 

这种CC-CV的充电方式能很好的到达电池的充满状态，并且不损害电池，已经成为锂离子电池的主要充电方式。 

但是在电池电压已经很低的情况下，电池内部的锂离子活性减弱，如果此时用比较大的电流充电，也有可能对电池有损害。如同人在剧烈运动前要进行必要的热身活动一样，锂离子的活性也要逐步激活。可以在电池低压段采用涓流方式，有效激活电池电压到2.7V以上，然后采用CC-CV的充电方式，有效的保护电池。

 

B．锂电池的放电特性； 

实验发现，锂离子电池在放电终止电压2.7V的条件下，放电电流越大电池的极化越大，电池的放电容量越小，但电池的静态电压与电池的放电深度的关系是基本保持不变的状态。锂离子电池以大电流放电(大于2C)的情况下，电池的放电曲线出现了电压先降低后上升的现象     通常情况下，确定锂离子电池放电电流大小时，不能用电流的绝对值来衡量，而用额定容量C与放电时间的比来表示，称作放电速率或放电倍率。对于1700mAh的电池，如果以0.1C的电流放电，则放电电流为170mA。由于锂离子电池的内阻，一般在30-100 mΩ之间，大电流放电或充电都会导致电池升温，因此在监测过程中，锂离子电池一般不允许高速率放电，一般放电速率应小于0.5C，最大连续放电速率不能超过1.5C，电压低于2.7V时应终止放电。 

 

C．过充过放：

锂离子电池的额定电压，因为材料的变化，一般为3.7V，磷酸铁锂（以下称磷铁）正极的则为3.2V。充满电时的终止充电电压国际标准是4.2V，磷铁3.6V。锂离子电池的终止放电电压为2.75V～3.0V(国内电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同，一般为3.0～2.75V，磷铁为2.5V。)。低于2.5V（磷铁2.0V）继续放电称为过放（国际标准为最低3.2v，磷铁2.8v），低电压的过放或自放电反应会导致锂离子活性物质分解破坏，并不一定可以还原。而锂离子电池任何形式的过充都会导致电池性能受到严重破坏，甚至爆炸。锂离子电池在充电过程必需避免对电池产生过充。

 

二、 电池温度检测与充放电算法原理

1.电池温度检测

 

温度检测等效电路

 

l 将Vbat_on转化为NTC的电阻值；

l 利用线性插值法通过表格将NTC的电阻值转化为温度值。

 

 

2.充放电算法：

 

 

 

 

3.驱动工作流程：

A．电池管理框架

 

B．驱动工作流程

 

 

三、 MTK充放电调试要点

1. 配置电池温度检测相关参数

相关宏定义在cust_battery_meter_table.h文件中：

A．目前热敏电阻有两种规格：10K和47K。由电池工程师提供参数。

#define BAT_NTC_10 1

#define BAT_NTC_47 0

 

B．在配置热敏电阻参数的同时，也要根据原理图，配置温度检测上拉电阻以及参考电压。

#define RBAT_PULL_UP_R             16000 //对应原理图中的R311

#define RBAT_PULL_UP_VOLT          2800   //对应原理图中的VBATREF

 

2. 更新电池充放电参数

电池充放电参数由电池工程师向电池厂家索取。根据提高的测试数据，我们可以获得各温度下最大放电容量，各温度下的内阻—电压表、放电深度—电压表。

A． 更新各温度下对应的最大放电容量（头文件：cust_battery_meter.h）

 

#define Q_MAX_POS_50 1750  //Cmax

#define Q_MAX_POS_25 1763

#define Q_MAX_POS_0 1756

#define Q_MAX_NEG_10 1726

 

#define Q_MAX_POS_50_H_CURRENT 1737 //Cmax_400mA

#define Q_MAX_POS_25_H_CURRENT 1717

#define Q_MAX_POS_0_H_CURRENT 1214

#define Q_MAX_NEG_10_H_CURRENT 966

 

B． 更新“内阻---电压转换表”和“放电深度百分比---电压”转换表

（头文件：cust_battery_meter_table.h）

上图是电池充放电测试参数中的一个截图

OCV：电池空载电压CV:电池负载电压

mAh：放电容量DOD：放电深度百分比

R：电池内阻：

 

从表格中提取 R----OCV 对应温度的r_profile_t2数组

从表格中提取DOD---OCV到对应温度的battery_profile_t2数组中

注意数组的元素个数都要一致。

 

3. 配置充电电流：(cust_charging.h)

#define USB_CHARGER_CURRENT_SUSPEND 0 // def CONFIG_USB_IF

#define USB_CHARGER_CURRENT_UNCONFIGURED  CHARGE_CURRENT_70_00_MA // 70mA

#define USB_CHARGER_CURRENT_CONFIGURED   CHARGE_CURRENT_550_00_MA // 500mA

 

#define USB_CHARGER_CURRENT CHARGE_CURRENT_550_00_MA //500mA

#define AC_CHARGER_CURRENT CHARGE_CURRENT_800_00_MA

#define NON_STD_AC_CHARGER_CURRENT CHARGE_CURRENT_1050_00_MA

#define CHARGING_HOST_CHARGER_CURRENT       CHARGE_CURRENT_1050_00_MA

#define APPLE_0_5A_CHARGER_CURRENT          CHARGE_CURRENT_550_00_MA

#define APPLE_1_0A_CHARGER_CURRENT          CHARGE_CURRENT_650_00_MA

#define APPLE_2_1A_CHARGER_CURRENT          CHARGE_CURRENT_800_00_MA

 

4. 配置电流检测电阻：（cust_battery_meter.h）

#define CUST_R_SENSE         56  //56 mOhm

充电电流检测电阻

 

5. 开机初始化电量的调试：

调试开机初始化电量的意义在于，尽量获取准确的电量，为后续积分算法进行电量积分提供一个准确的参考。

 

源代码：battery_common.c  battery_meter.c  (充电算法采用SOC_BY_SW_FG)

工作流程：BAT_thread()  ->  battery_meter_initial() -> oam_init()

1. oam_init()函数中先获取HW_OCV和V_BAT_SENSE两路电压，其中HW_OCV是通过PMIC_AUXADC_ADC_OUT_WAKEUP_PCHR寄存器获取的，这是PMIC上电时检测到的电池开路电压值，这个有时候是有一定误差的，所以必须同时获取V_BAT_SENSE的电压，也就是当前的电池电压值。

2. 根据系统是否接入充电器，与V_BAT_SENSE对比，判断HW_OCV的合理性。如果不合理，需要采取措施纠正。这就是这部分调试的要点。要根据按power键、接USB、接AC等情景，搜集数据，进行调试。保证初始电压以及电量尽量接近真实的电池开路电压。

3. 确定好系统启动时电池电量以后，还要跟上次系统关机时系统保留到RTC中的电量做对比，假如当前启动测得的电量和RTC中保留的电量误差在20%（这个值可以根据具体情况调整），那么选择RTC中保留电量为合法。这么做有两个目的，一个是判断是否为同一块电池，还有就是保证同一块电池在开机前后电量不会出现大的波动。电池管理驱动程序在运行的时候，会随时更新电量值，刷新到RTC的寄存器RTC_AL_HOU中，每次开机启动时，oam_init()会调用dod_init，dod_init函数会读取RTC_AL_HOU寄存器的值，这个如果是0，表明是第一次刷机后开机，如果不为0，则为上次关机时候的电池电量。

 

6. 充放电算法的调试

充放电算法的原理就是库仑积分法，调试的主要问题放电曲线和充电曲线。

源代码：battery_meter.c       oam_run();

A． 放电曲线的调试

放电曲线主要调试d5_count_time在gFG_Is_Charging == KAL_FALSE时候的值，主要根据电池容量。

B．  充电曲线的调试

充电曲线首先要根据电池容量和标称充电电流的大小，估算一下电量从0%到100%需要多少的充电时间。

还有就是从90%到100%这一阶段的充电时间的调试，会影响到电池是否能完全充满。在这一阶段一方面是通过charging_full_check()这个函数获取充电IC中充电状态寄存器的值和充电电流来判断电池是否充满；另外一方面就是通过调整这个阶段的时间来判断。

 

7. 考虑接触点电阻

电池接触点处一般会有20~40mho的电阻，这个阻值在大电流（1.5-2A）充电的时候，会对充电算法有一定的影响。所以在调试的时候要考虑这个电阻的存在，尤其是大电流充电的时候。在函数mtk_imp_tracking中计算开路电压的时候，可以通过宏定义FG_METER_RESISTANCE的调整去补充上这个接触点电阻。

 

8.  充电IC中DPM功能影响

使用的BQ24158,BQ24296芯片中都会有一个DPM功能，这个DPM功能是在充电过程中，当输入源输入功率无法提供支持设置的或者默认的充电电流时，会降低VBUS的电压，以保证在功率不变的情况下提供足够的充电电流，当VBUS降低到Vin_dpm以下时，又及时调整充电电流保证VBUS电压不至于太低导致无法识别。由于这个DPM设置不合理导致的问题就是插入USB的时候，“正在充电”的过程持续一会立马消失了。这就是因为由于电脑提供的USB最大充电电流为450mA，而Vin_dpm和USB充电电流设置过大，导致电脑的USB接口提供的功率不足，于是充电IC的DPM功能发挥作用，把VBUS拉低到4.5V以下，USB掉线了。

 

9. MT6732平台重开机前后HW_OCV不变的问题

现象是这样的：第一次开机的时候HW_OCV是3.67V，直接重启系统后，HW_OCV还是3.67V，没有变化。这个现象直接导致在关机充电下按电源键启动系统的时候，开机开路电压检测偏差极大的问题。解决这个问题需要重置AUXADC寄存器。在mtk_wdt.c中修改如下：

 

void wdt_arch_reset(char mode)

{

……

mt6325_upmu_set_rg_auxadc_rst(0x01);

mt6325_upmu_set_rg_auxadc_reg_rst(0x01);

……

}

 

 

四、 参考文档

 

《Battery_Charging_Introduction_for_Customer_V1.0.pdf》

《Battery_Customer Document_MT65xx.pdf》

《Fuel_Gauge_introduce.pdf》

《Fuel_Gauge_Application_Notes_V1.0.pdf》

《Fuel_Gauge_Battery_ZCV_Table_Test_SOP_V1.0_20120716.pdf》