【導讀】由于下一代電池的開發(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。為簡化新系統(tǒng)的開發(fā)，學習如何使用此類IC進行設計非常重要，本文著重介紹了線性鋰離子電池充電器。
引言
電池可將化學能轉化為電勢(或電壓)。如果某種電池的能量可以恢復，則該電池是二次電池(或可充電電池)。便攜式應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)電池的標稱電壓更高、自放電率更低、質量能量密度與體積能量密度更高，這使它們對于輕質和空間敏感應用的供電更具吸引力。
優(yōu)勢分析
如果設計人員在使用鋰離子電池時時刻小心，那么鋰離子電池是相對安全的。單節(jié)和雙節(jié)電池應用占據(jù)了大約70%的鋰離子電池市場。在小工具、數(shù)碼攝像機和類似設備的設計中，最新的趨勢要求減少設備的體積、成本和重量，這促使一些雙節(jié)電池應用轉變?yōu)閱喂?jié)電池應用。
需要三節(jié)鎳氫電池的設備中的電池也可用單節(jié)鋰離子電池替代。減少系統(tǒng)中電池數(shù)量的一個優(yōu)點是可省去為平衡多節(jié)電池所需的額外設計工作。
通過廣泛應用的通用串行總線(USB)，鋰離子電池可使用大多數(shù)計算機上的USB端口進行充電。USB協(xié)議的標稱電壓為5V，這使USB協(xié)議對于單節(jié)鋰離子電池應用極具吸引力。USB規(guī)范規(guī)定，主機和/或集線器的電壓降范圍為4.75V~5.25V，并且主機和/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)電池的充電電壓達到4.2V時，充電器會維持恒壓，直到滿足終止條件。應當仔細地設計電池的電壓(有一定的誤差范圍)，以避免充電提前終止或產(chǎn)生危險。USB電壓范圍非常適合于簡單的步降充電器設計，這樣設計的鋰離子電池穩(wěn)壓典型值為4.2V。
兩種常用的步降拓撲是線性(低壓差，LDO)轉換器和開關(降壓)轉換器。理想情況下，開關拓撲的效率可達到100%。在考慮功率損耗后，效率可能會降到85%~95%之間。公式(1)可用于計算LDO的效率。
當IGND遠小于IOUT時，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，效率會從60%上升到84%。對于恒壓(CV)充電模式，效率將保持在84%。因而，當輸入電壓約為5V時，在單節(jié)鋰離子電池充電器設計中，LDO拓撲可良好地工作。由于省略了電感，LDO拓撲還可以降低成本，且可避免與開關拓撲有關的EMI難題。但是，如果需要高于1A的快速充電電流，則應考慮開關拓撲。公式(4)給出了一個對此進行說明的功耗計算公式。
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，以說明CC模式下的最壞情況。選擇的輸入電壓為5V，以簡化計算。在設計系統(tǒng)時，應考慮誤差最大的情況。
即使是對于額定熱阻為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，加上144℃會使系統(tǒng)中的溫度達到169℃。169℃的結溫超出了典型管芯溫度的過溫關斷閾值。對于良好設計的鋰離子電池充電管理IC，應包含溫度反饋電路，在溫度開始上升到閾值時降低充電電流。
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，且只需要很少的無源元件。它們通常采用SOT-23、MSOP和DFN等封裝。隨著半導體技術的成熟，大多數(shù)低端線性電池充電器都進行了完全集成。典型的引腳數(shù)介于5~10引腳之間。
對鋰離子電池進行安全充電通常是低端充電器的基本目標，也是唯一目標。不需要任何附加的功能。簡單的5引腳電池充電器為了正常工作，最少需要三個元件——一個輸入電容、一個輸出電容和一個編程電阻。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
除鏈接外設與計算機外，USB協(xié)議還能以較低成本實現(xiàn)高速傳輸。通過USB端口將設備和外設與計算機連接已經(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單節(jié)鋰離子電池進行充電。
表1列出了基于USB端口設計單節(jié)鋰離子電池充電器的一些基本方法。
表1 使用USB端口進行充電的方法
第一種方法采用低功率USB端口來提供固定充電電流。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在柵極驅動為低電平或高電平時設置兩種不同的充電電流。高速USB端口允許的絕對最大電流為500mA，但端口應總是以低速啟動，直到完成驗證為止。
通過設置兩種不同充電電流的集成MOSFET，可簡化這種設計，且通過它可以提供預設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所示為一個示例，該示例提供了三種不同的充電電流設置，并且可以在墻式適配器(AC/DC適配器)和USB端口之間進行無縫切換。存在墻式適配器時，最大充電電流可很容易地超過高速USB端口的500mA。當只有USB電纜時，充電電流將取決于MOSFET的柵極驅動電流為邏輯高電平還是低電平。一些設計只需要一個輸入電源軌，但可通過接口之間的通信來設置不同的輸入類型。通常，出于與低速USB端口相同的原因，高速USB端口的預設USB充電電流會低于450mA。為安全考慮，以及為滿足USB規(guī)范，正確的設計方法還應限制來自USB端口的輸入電流。
系統(tǒng)負載均衡和電源路徑管理類型的鋰離子電池充電器
在今天的便攜式設備中，隨功能的增多，對于適當電池管理的需求也不斷增長。在空間受限的應用中，高度集成的電源軌控制可提升設計人員的體驗。每個電源軌都需要進行良好的管理，以便在輸入電源路徑、系統(tǒng)負載和電池之間進行無縫切換。
圖2 系統(tǒng)負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用電路：具有系統(tǒng)負載均衡和電源路徑管理功能，可在不同電源之間切換。使用該設計而不是傳統(tǒng)方法的一個優(yōu)點是可對每個電源軌進行管理，且當輸入電壓不足以保持輸出電壓穩(wěn)定時，電池將處于支持模式。有時，除恢復電池能量外，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危害設計指南的內(nèi)部組織、當?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、設計人員的經(jīng)驗水平或最終用戶的習慣。常見的功能包括用于每個充電階段的定時器、輸入過電壓保護、通信協(xié)議、多個穩(wěn)壓輸出通道，以及電池認證等。
單節(jié)鋰離子電池充電器具有輸入過壓保護功能。當輸入電壓超出保護閾值時，輸出充電電流會終止，然后當輸入電壓下降到設計范圍內(nèi)時，輸出充電電流會恢復。對于移動設備，從2006年12月開始，該特性被推薦作為移動通信終端設備充電器接口的技術要求和測試方法。
通過限制線性電池充電器的輸入電壓，可防止最終用戶錯誤使用墻式適配器(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，則功耗也會上升。因此，當輸入電壓和電池電壓之間的電壓差上升到4V時，功耗將為4W。
結語
鋰離子電池可以設計為使用燃料電池、光電太陽能電池、水能和風能作為儲存、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計中的障礙(例如緊湊性和簡單性)。在設計電池或任何電源系統(tǒng)時，安全性總是優(yōu)先考慮的因素。
【推薦閱讀】
新型高性能超級電容充電器的設計方案
先進的鋰離子電池系統(tǒng)充電管理和保護
安森美新系列開關電池充電方案應對便攜設備充電挑戰(zhàn)
高度靈活的便攜式電池充電器方案
飛兆案例分析：高效率充電器電源設計方案
