單體鋰離子電池應(yīng)用充電器IC的選擇

單體鋰離子 （Li-Ion） 電池充電器的選項有很多種。隨著手持設(shè)備業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，對電池充電器的要求也不斷增加。要為完成這項工作而選擇正確的集成電路 （IC），我們必須權(quán)衡幾個因素。在開始設(shè)計以前，我們必須考慮諸如解決方案尺寸、USB標準、充電速率和成本等因素。必須將這些因素按照重要程度依次排列，然后選擇相應(yīng)的充電器IC。本文中，我們將介紹不同的充電拓撲結(jié)構(gòu)，并研究電池充電器IC的一些特性。此外，我們還將探討一個應(yīng)用和現(xiàn)有的解決方案。

鋰離子電池充電周期

鋰離子電池要求專門的充電周期，以實現(xiàn)安全充電并最大化電池使用時間。電池充電分兩個階段：恒定電流 （CC） 和恒定電壓 （CV）。電池位于完全充滿電壓以下時，電流經(jīng)過穩(wěn)壓進入電池。在CC模式下，電流經(jīng)過穩(wěn)壓達到兩個值之一。如果電池電壓非常低，則充電電流降低至預(yù)充電電平，以適應(yīng)電池并防止電池損壞。該閾值因電池化學(xué)屬性而不同，一般取決于電池制造廠商。一旦電池電壓升至預(yù)充電閾值以上，充電便升至快速充電電流電平。典型電池的最大建議快速充電電流為1C（C=1 小時內(nèi)耗盡電池所需的電流），但該電流也取決地電池制造廠商。典型充電電流為~0.8C，目的是最大化電池使用時間。對電池充電時，電壓上升。一旦電池電壓升至穩(wěn)壓電壓（一般為4.2V），充電電流逐漸減少，同時對電池電壓進行穩(wěn)壓以防止過充電。在這種模式下，電池充電時電流逐漸減少，同時電池阻抗降低。如果電流降至預(yù)定電平（一般為快速充電電流的10%），則終止充電。我們一般不對電池浮充電，因為這樣會縮短電池使用壽命。圖1 以圖形方式說明了典型的充電周期。

圖1典型鋰離子充電周期

線性解決方案與開關(guān)模式解決方案對比

將適配器電壓轉(zhuǎn)降為電池電壓并控制不同充電階段的拓撲結(jié)構(gòu)有兩種：線性穩(wěn)壓器和電感開關(guān)。這兩種拓撲結(jié)構(gòu)在體積、效率、解決方案成本和電磁干擾 （EMI） 輻射方面各有優(yōu)缺點。我們下面介紹這兩種拓撲結(jié)構(gòu)的各種優(yōu)點和一些折中方法。

一般來說，電感開關(guān)是獲得最高效率的最佳選擇。利用電阻器等檢測組件，在輸出端檢測充電電流。充電器在CC 模式下時，電流反饋電路控制占空比。電池電壓檢測反饋電路控制CV 模式下的占空比。根據(jù)特性集的不同，可能會出現(xiàn)其他一些控制環(huán)路。我們將在后面詳細討論這些環(huán)路。電感開關(guān)電路要求開關(guān)組件、整流器、電感和輸入及輸出電容器。就許多應(yīng)用而言，通過選擇一種將開關(guān)組件和整流器都嵌入到IC 中的器件，可以縮小解決方案的尺寸。根據(jù)不同的負載，這些電路的典型效率為80% 到96%。開關(guān)轉(zhuǎn)換器因其電感尺寸一般會要求更多的空間，同時也更加昂貴。開關(guān)轉(zhuǎn)換器還會引起電感EMI 輻射，以及開關(guān)帶來的輸出端噪聲。

線性充電器通過降低旁路組件的輸入電壓，降低DC 電壓。這樣做的好處是解決方案只要求三個組件：旁路組件和輸入/輸出電容。相比電感開關(guān)，線性壓降穩(wěn)壓器 （LDO） 通常為一款低成本的解決方案，且噪聲更低。通過穩(wěn)壓旁路組件的電阻來限制進入電池的電流，從而對充電電流進行控制。電流反饋一般來自充電器IC 的輸入。對電池電壓進行檢測，以提供CV 反饋。改變旁路組件的電阻，來維持進入IC 輸入端的恒定電流或者恒定電池電壓。器件的輸入電流等于負載電流。這就是說解決方案的效率等于輸出電壓與輸入電壓的比。LDO 解決方案的缺點是高輸入輸出電壓比時（即低電量情況）效率較低。所有功率都被旁路組件消耗，其意味著LDO 并非那些輸入輸出差較大的高充電電流應(yīng)用的理想選擇。這些高功耗應(yīng)用要求散熱，從而增加了解決方案的尺寸。

功耗及溫升計算

其中，η為充電器的效率，而POUT = VOUT × IOUT。利用熱阻，可以計算得到功耗帶來的溫升。每種應(yīng)用的熱阻都不同，其取決于電路板布局、氣流和封裝等具體參數(shù)。我們應(yīng)該針對終端應(yīng)用電路板對熱阻建模。請記住，產(chǎn)品說明書中定義的ΘJA 并非這種應(yīng)用中熱阻的恰當(dāng)表示方法。

應(yīng)該使用什么樣的拓撲？

您需要研究的第一個參數(shù)是充電電流。對于一些小型應(yīng)用來說，例如：充電電流介于25Ma 到150mA 之間的藍牙TM耳機等，最佳解決方案幾乎都是線性充電器。這些應(yīng)用一般都具有非常小的體積，無法為開關(guān)的更多組件提供額外空間。另外，由于其非常低的功耗要求，功耗帶來的溫升可以忽略不計。對于手機應(yīng)用來說，充電電流一般在350-700mA 范圍以內(nèi)。在這種范圍中，很多時候線性解決方案仍然非常有效。由于它們通常都為低成本手機，其成本壓力更大，因此線性充電器便成為一種理想的解決方案。智能手機應(yīng)用的電池體積較大，且充電電流需求大于1.5A，這時使用開關(guān)解決方案則更加合理。1.5A 電流條件下，溫升會非常大。例如，使用一個線性充電器通過5V 適配器對一塊3.6V 電池充電時，效率為72%。首先，這個效率聽起來似乎不太壞。如果您從功耗的角度來看它，這種應(yīng)用要消耗約2W。在一個熱阻 （ΘJA） 為40°C/W 的應(yīng)用中，芯片溫度上升80°C。在40°C 環(huán)境溫度下，電路板溫度會上升至120°C，其對手持設(shè)備來說是不可接受的。在極低電池電壓（即3 V）下，這一問題甚至?xí)兊脴O端嚴重。相同3V 條件下，溫度升至120°C。讓我們來看相同條件下的開關(guān)解決方案，使用一個單體電池IC 充電器時，效率上升至約85%。使用一塊3.6V 電池時，功耗低于1W，從而帶來40°C 的溫升。3V 時這種改善更加明顯。假設(shè)3V 輸出時的效率為80%，則功耗低于800 mW，因此溫升會更低（約32°C）。這些智能手機的體積一般可以容許稍大一點的解決方案，并且能夠承受開關(guān)模式解決方案相關(guān)的稍許成本增加。

為任務(wù)選擇正確的IC

在您已經(jīng)完成您的初步熱分析并且選好充電器拓撲以后，您便可以轉(zhuǎn)到選擇應(yīng)用的最佳IC 上來。新型的電池充電器解決方案集成了許多特性，可以利用它們改善系統(tǒng)的性能。諸如輸入過壓保護、電源路徑管理 （PPM）、VIN_DPM、散熱穩(wěn)壓、負溫度系數(shù)熱敏電阻 （NTC） 監(jiān)測和USB 充電等特性，都被集成到許多電池充電器IC 中。大多數(shù)單體電池充電器解決方案都已將要求FET 集成到了器件中，旨在節(jié)省電路板面積。

輸入過壓保護（單輸入與雙輸入對比）

在當(dāng)今的市場上，USB 電源已經(jīng)成為最為常見的電源，因此通過USB 電源充電已經(jīng)成為一種必然性。市場已經(jīng)從使用專門AC 適配器和單獨USB 接口的初始雙輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒁粋€USB 接口既作為墻上電源適合器接口使用，也作為使用相同線纜的USB 數(shù)據(jù)輸入接口的單輸入解決方案。這樣便導(dǎo)致一種從雙輸入解決方案向單輸入解決方案的轉(zhuǎn)移。單輸入在接口方面存在許多挑戰(zhàn)。由于存在如此多的配件市場適配器解決方案和一種通用接口，輸入端必須要能夠在無損壞的情況下承受更高的電壓。由于電池充電器始終連接到輸入端，因此充電器對所有下游電路實施過電壓狀態(tài)保護是有道理的。為了實施這一功能，市場上出現(xiàn)了許多能夠承受20V 甚至30V 電壓的解決方案。另外，這些器件都具有過電壓保護 （OVP） 電路，其在輸入超出OVP 閾值時阻止器件運行。這樣便進一步保護了下游電路，使其免受潛在的瞬態(tài)過電壓狀態(tài)損壞。

目前，隨著綠色輸入（即太陽能電池）或無線充電的出現(xiàn)，應(yīng)用又再一次向雙輸入要求轉(zhuǎn)移。根據(jù)具體的應(yīng)用要求，兩種配置結(jié)構(gòu)都可以使用。

電源路徑管理/最小系統(tǒng)電壓

電池充電器的一般方法是將系統(tǒng)直接連接到電池，讓充電器同時為電池和系統(tǒng)供電。然后，對系統(tǒng)的總電流進行穩(wěn)壓，這樣做存在幾個問題。特別是低電池電量啟動、終止干擾和早期計時器超時等問題。電源路徑管理通過對電池電流和系統(tǒng)電流進行分別監(jiān)測，消除了這些問題［2］。

圖 2 傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)舉例

圖 3 電源路徑拓撲結(jié)構(gòu)舉例

最低系統(tǒng)電壓

使用傳統(tǒng)方法時，系統(tǒng)電壓始終與電池相同。因此，電池深度放電時，在電池充電到某個可用電平以前系統(tǒng)都不會啟動。利用PPM，可對系統(tǒng)電壓單獨穩(wěn)壓，將其與電池電壓區(qū)分開來。這就意味著可以實現(xiàn)最低系統(tǒng)電壓，其與電池電壓無關(guān)。對用戶而言，這就意味著連接適配器的同時他們便可以使用設(shè)備，假設(shè)條件是其具有足夠的功率來驅(qū)動系統(tǒng)。如bq25060 等器件就具有這種功能。

更短的充電時間

由于系統(tǒng)電流和充電電流是單獨編程的，因此可以使用適配器的滿功率，其與電池的容量和充電電流的大小均無關(guān)。傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)中，充電器的輸出電流必須設(shè)定為最大充電電流，以應(yīng)對沒有系統(tǒng)負載的情況。當(dāng)系統(tǒng)中有負載時，由于系統(tǒng)吸收可用電流，有效充電電流降低。例如，一個使用900 mA 適配器和500 mAhr 電池的系統(tǒng)，使用傳統(tǒng)方法可以編程500 mA 的充電電流。如果系統(tǒng)負載為200 mA，有效充電電流僅為300 mA，充電時間幾乎翻了一翻。如果使用PPM 來研究這一相同案例，輸入電流限制設(shè)定為900 mA。這樣便允許全部500 mA充電電流，且擁有多達400 mA 的額外系統(tǒng)電流。

終止和早期計時器超時

在對總電流進行穩(wěn)壓的傳統(tǒng)系統(tǒng)中，電流在電池和負載之間共用。如果系統(tǒng)負載足夠大到從電池拉取充電電流，且在計時器超時以前電池不充電，則計時器會出現(xiàn)偽超時。另外，如果系統(tǒng)電流絕對不會降至設(shè)定終止電流以下，則永遠不會終止。電源路徑管理通過單獨監(jiān)測充電電流，并動態(tài)地使用可穩(wěn)壓計時器（通過減少充電電流進行穩(wěn)壓），防止這些條件出現(xiàn)。就終止問題而言，單獨對充電電流進行監(jiān)測，可讓終止條件測定變得容易。

基于輸入電壓的動態(tài)電源管理 （VIN-DPM）

為了防止出現(xiàn)輸入源超負載的欠壓狀態(tài)，一些器件實施了基于輸入電壓的動態(tài)電源管理 （VIN-DPM）。這種環(huán)路降低輸入電流限制來防止輸入崩潰。VIN-DPM 環(huán)路對輸入電壓進行有效的穩(wěn)壓，來最大化電源的電流。圖4 顯示了在無VIN-DPM 保護的情況下USB 端口的超負載結(jié)果。請注意，輸入電壓降至電源狀態(tài)良好閾值以下時，充電器關(guān)閉。這樣便關(guān)閉了電源負載，并允許輸入電壓恢復(fù)，從而開啟充電器。這種開/關(guān)脈沖發(fā)生并不是我們想要的。

圖 4 無 VIN-DPM 情況下的輸入崩潰

VIN-DPM 通過限制輸入電流阻止脈沖發(fā)生，從而防止輸入源崩潰。圖5 顯示了超負載USB 端口的結(jié)果。VIN-DPM 功能開始生效，降低輸入電流限制，從而防止輸入源崩潰。

圖 5 使用VIN-DPM的輸入超負載保護

NTC 監(jiān)測（包括JEITA）

通過充電期間的監(jiān)測防止電池組損壞甚至是爆炸時，電池溫度極為重要。一般來說，通過對集成到電池組中或者靠近系統(tǒng)板上電池組安裝的NTC 熱敏電阻進行監(jiān)測，來完成這項工作。許多充電器都具有集成到IC 中的NTC 監(jiān)測功能。如果電池溫度處在某些非安全溫度下時，這些IC 便對溫度和禁用充電電流進行監(jiān)測。

一種新興的電池充電標準是日本電池溫度標準 （JEITA）。這種標準規(guī)定了一些需降低充電電壓或者電流以提供更安全運行的中間溫度。該JEITA標準在許多充電器IC 中也很容易實施。例如，單輸入單體鋰離子電池充電器集成了一種無需主機關(guān)聯(lián)的獨立解決方案。對于NTC 受主機監(jiān)測的系統(tǒng)來說，許多IC 都提供了非常簡單的實施。I2C 接口允許用戶動態(tài)地改變充電電壓和充電電流，使用具有這種接口的充電器時，主機根據(jù)電池溫度來修改充電參數(shù)。這種方法在沒有硬件改動的情況下，在為不同平臺和電池設(shè)置要求的溫度閾值方面擁有一定的靈活性。

USB 充電標準

USB 充電時，可以使用許多充電器IC，它們都結(jié)合了USB100和USB500 電流限制。通過USB 充電器輸出運行所有下游電路，讓廣大設(shè)計人員能夠確保不超出USB 電流限制。

額外功率輸出

隨著USB 充電的流行，許多應(yīng)用都要求一個USB PHY 或者USB 收發(fā)器與主機枚舉。因此，這些器件通常直接連接到VBUS 電源，從而要求過電壓保護。因此，許多充電器IC 都集成了一個連接電源并通過電源供電的5V LDO。每當(dāng)連接一個有效電源時，這種輸出便有效。5V LDO 穩(wěn)壓電壓保護USB 電路免受未穩(wěn)壓適配器和其他過電壓狀態(tài)的損害。

結(jié)論

為單體鋰離子電池充電有很多種方法。我們必須對諸如充電電流、可用空間、USB 標準、成本和特性集等要求進行研究，以選擇最佳的解決方案。首先按照重要程度把這些要求排列出來，然后選擇最適合這些要求的拓撲結(jié)構(gòu)。請一定要考慮散熱因素，最后為每種輸出選擇最具成本效益的解決方案。在這些簡單步驟之后，您的電池充電器設(shè)計應(yīng)該就會變得簡單了。