钜大LARGE | 点击量：532次 | 2022年09月05日
提升移动设备充电效率，线性锂电池充电IC用途明显
由于下一代电池的开发速度至今仍跟不上摩尔定律的步伐，所以须要可以供应更好性能、高度整合且功能丰富的积体电路（IC）。为了简化新系统的开发，学习如何使用此类IC进行设计非常重要。
电池通常可以将化学能转化为电能或电压，因此假如某种电池的能量可以恢復，则该电池是二次电池或可充电电池。在行动装置的应用中常用的电池是镍氢（NiMH）电池和锂离子（Li-Ion）电池。如表1所示，与镍氢电池相比，锂离子电池具有更好的特性。例如，每节电池的标準电压更高、自放电率更低、品质能量密度与体积能量密度更高，这使它们关于有需求的应用上更具吸引力。
减少设备成本与重量单节电池优势更显着
假如设计人员在使用锂离子电池时保持谨慎，其实是相当安全的。表2列出了锂离子电池供电系统的一些典型应用。单节和双节电池应用占据了大约70%的锂离子电池市场。在小工具、数位摄影机和类似设备的设计中，最新的趋势要求减少设备体积、成本和重量，这促使一些双节电池应用转变为单节电池应用。要叁节镍氢电池的设备，其电池可用单节锂离子电池替代。而减少系统中电池数量的其中一个优点是，可以省去为了平衡多节电池所需的额外工作。
透过广泛应用的通用序列匯流排（USB），锂离子电池可以使用大多数电脑上的USB埠进行充电。USB协定的标準电压为5伏特（V），这使USB协定关于单节锂离子电池应用极具吸引力。USB规範规定，主机或集线器的电压降範围为4.75~5.25V，且主机和集线器的连接器的电压不允许低于4.45V。锂离子电池的典型充电演算法是恆流与恆压（CC/CV）演算法。在每节电池的充电电压达到4.2V时，充电器会维持恆压，直到满足终止条件。应当仔细地设计电池的电压（有一定的误差範围），以防止充电提前终止和出现危险。此一USB电压範围非常适合于简单的步降充电器设计，这种设计的锂离子电池稳压典型值为4.2V。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
低压差转换器与交换式转换器比较
目前两种常用的步降拓扑是线性，即低压差转换器（LDO）和交换式（降压）转换器。理想情况下，交换式拓扑的效率可达到100%。在考虑功率损耗之后，效率可能会降到85%与95%之间。公式1可用于计算LDO的效率。当IGND远小于IOUT时，可以忽略它。因此，基于LDO的锂离子电池充电器的效率可以简化为VOUT与VIN的比。
此外，在典型的恆流（CC）充电模式期间，效率会从60%上升到84%。关于恆压（CV）充电模式，效率将保持在84%。因而，当输入电压约为5V时，在单节锂离子电池充电器设计中，LDO拓扑可良好地工作。由于省略了电感器，LDO拓扑还可降低成本，并且可防止与交换式拓扑有关的EMI难题。但是，假如要高于1A的快速充电电流，则应考虑交换式拓扑。公式4给出了一个对此进行说明的功耗计算公式。
pDISSIpATION=ICHARGE×（VIN–VOUT）=2A（5V–3V）=4瓦。。。。。。公式4
在此一範例中，选择的电池充电电流为2安培（A）、电池电压为3V，以说明CC模式下的最坏情况。选择的输入电压为5V，以简化计算。在设计系统时，应考虑误差最大的情况。即使是关于额定热阻为35℃/瓦（W）的4毫米（mm）×4毫米QFN封装，也很难散去4瓦的功耗，如公式5所示。
35℃/瓦×4瓦=144℃。。。。。。公式5
当室温为25℃时，加上144℃会使系统中的温度达到169℃。169℃的温度超出了晶片的典型过温关断阀值。关于良好设计的锂离子电池充电管理IC，应包含温度回馈电路，在温度开始上升到阀值时降低充电电流。
低阶线性锂离子电池充电器成本低
低阶线性锂离子电池充电器通常成本很低，接脚数很少，且只要很少的被动元件。它们通常採用诸如SOT-23、MSOp和DFN之类的封装。随着半导体技术的成熟，大多数低阶线性电池充电器都进行了完全整合。典型的接脚数介于5~10接脚之间。
对锂离子电池进行安全充电通常是低阶充电器的基本目标，也是唯一目标。如图1所示，简单的电池充电器只须要使用一个5接脚个元件，为正常工作，最少要叁个元件，即一个输入电容、一个输出电容和一个可程式化的电阻器。
图1典型的低阶线性锂离子电池充电器
此外，可能还有其他接脚，用于额外状态指示、电源状况指示、电池温度监视、计时器和逻辑电流控制之类的功能。
左右单节锂离子电池充电效能USB埠设计良莠至关重要
除连结周边与电脑外，USB协定还能以较低成本实现高速传输。通过USB埠将设备和周边与电脑进行连接已成为最流行的方式。USB的电压範围为4.75？5.25V，非常适合用于恢復单节锂离子电池或电池组的能量。目前有许多方法可用于对单节锂离子电池进行充电。表3即列出了基于USB埠设计单节锂离子电池充电器的一些基本方法。
首先第一种方法採用低功率USB埠来供应固定充电电流。该方法最终的电流通常低于低速USB埠的绝对最大电流（即100mA）。由于电阻容差、充电电流和电源电流的塬因，该充电电流通常低于90mA。该方法只是简单地将USB埠作为额定参数为5V、100mA的电源。为了利用高速USB埠，可使用外部金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）在闸极驱动，为低电位或高电位时设置两种不同的充电电流。高速USB埠允许的绝对最大电流为500mA，但USB埠通常是以低速启动，直到完成验证为止。
通过可设置两种不同充电电流的整合MOSFET，可简化这种设计，并通过它可供应预设的充电电流，或以可程式电阻器设计充电电流。如图2所示，该示範供应了叁种不同的充电电流设置，并可在墙式电源适配器和USB埠之间无缝的切换。存在墙式电源适配器时，最大充电电流可很容易超过高速USB埠的500mA。
图2双输入锂离子电池充电器架构图
当只有USB电缆时，充电电流将取决于MOSFET的闸极驱动电流为逻辑高电位还是低电位。一些设计只须要一个输入电源，但可通过介面之间的通讯来设置不同的输入类型。通常，出于与低速USB埠相同的塬因，而高速USB埠的预设USB充电电流会低于450mA。为了安全考虑及满足USB规範，正确的设计方法还应限制来自USB埠的输入电流。
高整合度电源轨控制添臂力电池充电器实现无缝切换
随着现今行动装置功能越来越多，关于电池管理的需求也不断上升。在空间受限的应用中，高度整合的电源轨（powerRail）控制可以大幅提升设计人员的便捷性，使每一个电源轨都具备良好的管理，以便在输入电源路径、系统负载和电池之间无缝地进行切换。
如图3所示，为锂离子电池充电器的典型应用电路。具有系统负载平衡和电源路径管理功能，可在不同电源轨之间切换。使用该设计一个优点是可对每个电源轨进行管理，并当输入电压不足以保持输出电压稳按时，电池将处于支援模式。有时，除恢復电池能量外，还供应诸如低电量指示或控制、电源选择之类的附加功能。
图3系统负载平衡锂离子电池充电器架构图
电池充电器其他功能
随着锂离子电池日益广泛使用，安全和功能需求也不断上升。这些需求可能来自推行无危害设计指南的组织、当地的管理法规或政策、区域产品製造商偏好、电池製造商规範、设计人员的相关经验水準或终端用户的习惯等因素。而常见的功能包括用于每个充电阶段的计时器、输入过电压保护、通讯协定、多个稳压输出通道，以及电池认证等。
如图4所示，该图说明单节锂离子电池充电器的输入过电压保护功能。当输入电压超出保护阀值时，输出充电电流会终止，然后当输入电压下降到设计範围内时，输出充电电流会恢復（图5）。关于行动装置而言，从2006年十二月开始，该功能已列入可携式通讯设备充电器的必要技术及测试项目。
图4在输入过电压保护启动时充电电流终止
图5充电电流恢復
另一方面，通过限制线性电池充电器的输入电压，可以防止终端用户因为错误使用墙式电源适配器，并防止出现尖峰电压。如公式4所示，假设充电电流为1A，假如输入和输出电压（电池电压）上升，则功耗也会上升。因此，当输入电压和电池电压之间的电压差上升到4V时，功耗将为4瓦。
pDISSIpATION=ICHARGE×（VIN–VOUT）
pDISSIpATION=1A（7V–3V）=4瓦
绿色技术永远都是热门话题，而工程师和科学家总是努力不懈地改善现有的设计，为社会供应更好的解决方法。锂离子电池可做为燃料动力电池、太阳能电池、水力发电和风力发电的储存、后备或支援性能源。而高度整合的线性解决方法则可以克服低功率设计中的障碍。在须要考虑智慧、效率或功耗问题时，设计人员应全面地研究其解决方法，在可用平台之间进行权衡。值得注意的是，在设计电池或任何电源系统时，安全性绝对是优先考虑因素。
