【導(dǎo)讀】由于下一代電池的開(kāi)發(fā)速度跟不上摩爾定律的步伐，所以需要可提供更好性能的高度集成、功能豐富的IC產(chǎn)品。為簡(jiǎn)化新系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，學(xué)習(xí)如何使用此類IC進(jìn)行設(shè)計(jì)非常重要，本文著重介紹了線性鋰離子電池充電器。
引言
電池可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)(或電壓)。如果某種電池的能量可以恢復(fù)，則該電池是二次電池(或可充電電池)。便攜式應(yīng)用中常用的電池是鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li-Ion)電池。與鎳氫電池相比，鋰離子電池具有更好的特性，如每節(jié)電池的標(biāo)稱電壓更高、自放電率更低、質(zhì)量能量密度與體積能量密度更高，這使它們對(duì)于輕質(zhì)和空間敏感應(yīng)用的供電更具吸引力。
優(yōu)勢(shì)分析
如果設(shè)計(jì)人員在使用鋰離子電池時(shí)時(shí)刻小心，那么鋰離子電池是相對(duì)安全的。單節(jié)和雙節(jié)電池應(yīng)用占據(jù)了大約70%的鋰離子電池市場(chǎng)。在小工具、數(shù)碼攝像機(jī)和類似設(shè)備的設(shè)計(jì)中，最新的趨勢(shì)要求減少設(shè)備的體積、成本和重量，這促使一些雙節(jié)電池應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)閱喂?jié)電池應(yīng)用。
需要三節(jié)鎳氫電池的設(shè)備中的電池也可用單節(jié)鋰離子電池替代。減少系統(tǒng)中電池?cái)?shù)量的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可省去為平衡多節(jié)電池所需的額外設(shè)計(jì)工作。
通過(guò)廣泛應(yīng)用的通用串行總線(USB)，鋰離子電池可使用大多數(shù)計(jì)算機(jī)上的USB端口進(jìn)行充電。USB協(xié)議的標(biāo)稱電壓為5V，這使USB協(xié)議對(duì)于單節(jié)鋰離子電池應(yīng)用極具吸引力。USB規(guī)范規(guī)定，主機(jī)和/或集線器的電壓降范圍為4.75V~5.25V，并且主機(jī)和/或集線器的連接器的電壓不允許低于4.45V。鋰離子電池的典型充電算法是恒流與恒壓(CC/CV)算法。在每節(jié)電池的充電電壓達(dá)到4.2V時(shí)，充電器會(huì)維持恒壓，直到滿足終止條件。應(yīng)當(dāng)仔細(xì)地設(shè)計(jì)電池的電壓(有一定的誤差范圍)，以避免充電提前終止或產(chǎn)生危險(xiǎn)。USB電壓范圍非常適合于簡(jiǎn)單的步降充電器設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)的鋰離子電池穩(wěn)壓典型值為4.2V。
兩種常用的步降拓?fù)涫蔷€性(低壓差，LDO)轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)(降壓)轉(zhuǎn)換器。理想情況下，開(kāi)關(guān)拓?fù)涞男士蛇_(dá)到100%。在考慮功率損耗后，效率可能會(huì)降到85%~95%之間。公式(1)可用于計(jì)算LDO的效率。
當(dāng)IGND遠(yuǎn)小于IOUT時(shí)，可以忽略它。因此，基于LDO的鋰離子電池充電器的效率可以簡(jiǎn)化為VOUT與VIN的比，如公式(2)和(3)中所示。
在典型的恒流(CC)充電模式期間，效率會(huì)從60%上升到84%。對(duì)于恒壓(CV)充電模式，效率將保持在84%。因而，當(dāng)輸入電壓約為5V時(shí)，在單節(jié)鋰離子電池充電器設(shè)計(jì)中，LDO拓?fù)淇闪己玫毓ぷ?。由于省略了電感，LDO拓?fù)溥€可以降低成本，且可避免與開(kāi)關(guān)拓?fù)溆嘘P(guān)的EMI難題。但是，如果需要高于1A的快速充電電流，則應(yīng)考慮開(kāi)關(guān)拓?fù)洹９?4)給出了一個(gè)對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明的功耗計(jì)算公式。
PDISSIPATION=ICHARGE×(VIN–VOUT)=2A(5V–3V)=4W (4)
在該示例中，選擇的電池充電電流為2A、電池電壓為3V，以說(shuō)明CC模式下的最壞情況。選擇的輸入電壓為5V，以簡(jiǎn)化計(jì)算。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮誤差最大的情況。
即使是對(duì)于額定熱阻為35℃/W的4mm×4mm QFN封裝，也很難散去4W的功耗，如公式(5)所示。
35℃/W×4W = 144℃ (5)
室溫為25℃時(shí)，加上144℃會(huì)使系統(tǒng)中的溫度達(dá)到169℃。169℃的結(jié)溫超出了典型管芯溫度的過(guò)溫關(guān)斷閾值。對(duì)于良好設(shè)計(jì)的鋰離子電池充電管理IC，應(yīng)包含溫度反饋電路，在溫度開(kāi)始上升到閾值時(shí)降低充電電流。
低端線性鋰離子電池充電器
低端線性鋰離子電池充電器通常成本很低，引腳數(shù)很少，且只需要很少的無(wú)源元件。它們通常采用SOT-23、MSOP和DFN等封裝。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，大多數(shù)低端線性電池充電器都進(jìn)行了完全集成。典型的引腳數(shù)介于5~10引腳之間。
對(duì)鋰離子電池進(jìn)行安全充電通常是低端充電器的基本目標(biāo)，也是唯一目標(biāo)。不需要任何附加的功能。簡(jiǎn)單的5引腳電池充電器為了正常工作，最少需要三個(gè)元件——一個(gè)輸入電容、一個(gè)輸出電容和一個(gè)編程電阻。此外，可能還有其他引腳，用于額外狀態(tài)指示、電源狀況指示、電池溫度監(jiān)視、定時(shí)器和邏輯電流控制之類的功能。
基于USB的線性鋰離子電池充電器
除鏈接外設(shè)與計(jì)算機(jī)外，USB協(xié)議還能以較低成本實(shí)現(xiàn)高速傳輸。通過(guò)USB端口將設(shè)備和外設(shè)與計(jì)算機(jī)連接已經(jīng)成為最流行的方式。如前面所討論的，USB的電壓范圍為4.75V~5.25V，非常適合用于恢復(fù)單節(jié)鋰離子電池或電池組的能量。有許多方法可以用于對(duì)單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電。
表1列出了基于USB端口設(shè)計(jì)單節(jié)鋰離子電池充電器的一些基本方法。
表1 使用USB端口進(jìn)行充電的方法
第一種方法采用低功率USB端口來(lái)提供固定充電電流。該方法最終的電流通常低于低速USB端口的絕對(duì)最大電流(即100mA)。由于電阻容差、充電電流和電源電流的原因，該充電電流通常低于90mA。該方法只是簡(jiǎn)單地將USB端口作為額定參數(shù)為5V、100mA的電源。為利用高速USB端口，可使用外部MOSFET在柵極驅(qū)動(dòng)為低電平或高電平時(shí)設(shè)置兩種不同的充電電流。高速USB端口允許的絕對(duì)最大電流為500mA，但端口應(yīng)總是以低速啟動(dòng)，直到完成驗(yàn)證為止。
通過(guò)設(shè)置兩種不同充電電流的集成MOSFET，可簡(jiǎn)化這種設(shè)計(jì)，且通過(guò)它可以提供預(yù)設(shè)或電阻可編程充電電流。
圖1 雙輸入鋰離子電池充電器
圖1所示為一個(gè)示例，該示例提供了三種不同的充電電流設(shè)置，并且可以在墻式適配器(AC/DC適配器)和USB端口之間進(jìn)行無(wú)縫切換。存在墻式適配器時(shí)，最大充電電流可很容易地超過(guò)高速USB端口的500mA。當(dāng)只有USB電纜時(shí)，充電電流將取決于MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電流為邏輯高電平還是低電平。一些設(shè)計(jì)只需要一個(gè)輸入電源軌，但可通過(guò)接口之間的通信來(lái)設(shè)置不同的輸入類型。通常，出于與低速USB端口相同的原因，高速USB端口的預(yù)設(shè)USB充電電流會(huì)低于450mA。為安全考慮，以及為滿足USB規(guī)范，正確的設(shè)計(jì)方法還應(yīng)限制來(lái)自USB端口的輸入電流。
系統(tǒng)負(fù)載均衡和電源路徑管理類型的鋰離子電池充電器
在今天的便攜式設(shè)備中，隨功能的增多，對(duì)于適當(dāng)電池管理的需求也不斷增長(zhǎng)。在空間受限的應(yīng)用中，高度集成的電源軌控制可提升設(shè)計(jì)人員的體驗(yàn)。每個(gè)電源軌都需要進(jìn)行良好的管理，以便在輸入電源路徑、系統(tǒng)負(fù)載和電池之間進(jìn)行無(wú)縫切換。
圖2 系統(tǒng)負(fù)載均衡鋰離子電池充電器
圖2所示為具有以下特性的鋰離子電池充電器的典型應(yīng)用電路：具有系統(tǒng)負(fù)載均衡和電源路徑管理功能，可在不同電源之間切換。使用該設(shè)計(jì)而不是傳統(tǒng)方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)每個(gè)電源軌進(jìn)行管理，且當(dāng)輸入電壓不足以保持輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，電池將處于支持模式。有時(shí)，除恢復(fù)電池能量外，還提供低電量指示或控制、電源選擇等附加功能。
電池充電器的其他功能
隨著鋰離子電池的日益廣泛使用，安全和功能需求也不斷上升。這些需求可能源自推行無(wú)危害設(shè)計(jì)指南的內(nèi)部組織、當(dāng)?shù)氐墓芾矸ㄒ?guī)或政策、區(qū)域產(chǎn)品制造商偏好、電池制造商規(guī)范、設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)水平或最終用戶的習(xí)慣。常見(jiàn)的功能包括用于每個(gè)充電階段的定時(shí)器、輸入過(guò)電壓保護(hù)、通信協(xié)議、多個(gè)穩(wěn)壓輸出通道，以及電池認(rèn)證等。
單節(jié)鋰離子電池充電器具有輸入過(guò)壓保護(hù)功能。當(dāng)輸入電壓超出保護(hù)閾值時(shí)，輸出充電電流會(huì)終止，然后當(dāng)輸入電壓下降到設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí)，輸出充電電流會(huì)恢復(fù)。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備，從2006年12月開(kāi)始，該特性被推薦作為移動(dòng)通信終端設(shè)備充電器接口的技術(shù)要求和測(cè)試方法。
通過(guò)限制線性電池充電器的輸入電壓，可防止最終用戶錯(cuò)誤使用墻式適配器(AC/DC適配器)，并防止產(chǎn)生尖峰電壓。由公式(4)可得出：PDISSIPATION=ICHARGE×(VIN–VOUT)=1A×(7V–3V)=4W
假設(shè)充電電流為1A，如果輸入和輸出電壓(電池電壓)上升，則功耗也會(huì)上升。因此，當(dāng)輸入電壓和電池電壓之間的電壓差上升到4V時(shí)，功耗將為4W。
結(jié)語(yǔ)
鋰離子電池可以設(shè)計(jì)為使用燃料電池、光電太陽(yáng)能電池、水能和風(fēng)能作為儲(chǔ)存、后備或支持能源。高度集成的線性解決方案可克服低功率設(shè)計(jì)中的障礙(例如緊湊性和簡(jiǎn)單性)。在設(shè)計(jì)電池或任何電源系統(tǒng)時(shí)，安全性總是優(yōu)先考慮的因素。
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