降低線性Li+電池充電器功耗的途徑

圖1 產(chǎn)生壓差的因素

圖2 5V/1A 交流適配器

選用適當(dāng)?shù)闹绷鬏斎?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電源">電源
較低的輸入電壓有利于減小功耗，在為單節(jié)Li+電池充電時(shí)，需要4.2V±1%或4.1V±1%(取決于電池的化學(xué)特性)的穩(wěn)壓輸出，輸入電源電壓要略高于電池的正極電壓、保證足夠的電池正極與輸入直流電源之間的壓差。圖1表示一個(gè)典型充電器中產(chǎn)生壓差的主要因素。
輸入電壓：Vin=Vsense+Vpmos+ Vtrace +Vdiode+4.2V (1)
最小輸入電壓為：
Vin(min)=RsensexIcharge+Rds(on)x Icharge + RtracexIcharge+[Vthmax(d)+RdxxIcharge] + 4.2V (2)
式中：Vthmax(d)是二極管的導(dǎo)通電壓；Rd是二極管的等效串聯(lián)電阻。
從上式可以看出：如果提高充電電流(Icharge)需要增大充電器的輸入電壓，以下是本文范例(圖3)在充電電流為500mA時(shí)的具體參數(shù)：
Vin=0.303V(Vdiode)+0.060V(Vsense) + 0.112V(Vpmos) + 0.000V(Vtrace) + 4.2V = 4.68V (3)
表1是圖3電路中的元件型號(hào)或參數(shù)。
考慮實(shí)際元件的容差，選擇5V±5%開(kāi)關(guān)型交流適配器可提供一定的設(shè)計(jì)裕量。由于充電器本身具有電流控制功能，交流適配器不需要精確限流，要求交流適配器的最大負(fù)載電流比線性充電器快充電流高200-300mA，圖2是利用MAX5021低功耗、電流模式PWM控制器構(gòu)成的一個(gè)交流適配器。

優(yōu)化充電電流和功耗
圖3為測(cè)試電路，線性充電器充電電流為500mA、充電時(shí)間限制在6小時(shí)。線性充電器總功耗由(4)式表示：
Pdiss=(Vin-Vbatt)xIcharge (4)
為確定快充電流，需要計(jì)算最糟糕的工作條件下，P溝道MOSFET(Q1)所允許的功耗：
Pdiss(Q1)=Vds(Q1)xIcharge (5)
Vds(Q1)=5V-VD1-IchargexRcs-Vbatt (6)
式中：VD1是D1的導(dǎo)通壓降；Rcs是內(nèi)部檢流電阻。另外，在任何情況下P溝道MOSFET的結(jié)溫不能超過(guò)150℃。
Tj=Ta+RqJAxPdiss(Q1) (7)
表2列出了一些適用于該充電器的P溝道MOSFET型號(hào)。雖然表中列出的額定耗散功率很高，實(shí)際設(shè)計(jì)中還要慎重考慮PCB板的安裝條件。大多數(shù)MOSFET器件額定參數(shù)所要求的“1平方英寸焊盤”的布板條件在實(shí)際設(shè)計(jì)中很難得到滿足，通過(guò)以下處理流程可以獲得更實(shí)際的結(jié)果。
首先算出在指定系統(tǒng)條件制約下所能得到的最佳RqJA，RqJA是RqCA(結(jié)與容器)和RqJC(容器與環(huán)境)之和，這里，容器熱量的參考定義為安裝漏極引腳焊接材料。RqJC由設(shè)計(jì)保證，RqCA由用戶的電路板設(shè)計(jì)、散熱條件和系統(tǒng)的冷卻狀況決定，應(yīng)該盡可能減小RqCA。實(shí)際應(yīng)用中還受線路板尺寸、空氣流通條件、PCB板材安全性的制約，由于無(wú)法直接測(cè)量Tj，我們可以利用Tc計(jì)算RqCA。
Tc=Ta+RqCAxPdiss(Q1) (8)
為了給表面貼裝的P溝道MOSFET提供有效的散熱，應(yīng)盡量增大漏極引腳的焊盤尺寸，然后測(cè)量Vds (Q1)、Icharge和Tc計(jì)算RqCA。如果測(cè)量的RqCA沒(méi)有達(dá)到預(yù)期值，則需增大漏極引腳的焊盤尺寸或減小充電電流。必須注意：Tc不能高于PCB板的最高工作溫度—130℃或150℃(由PCB板材決定)。常用的FR-4雙層電路板額定溫度為130℃。
如果測(cè)到的容器溫度Tc=125℃(Ta=50℃)、Pdiss(Q1) = 800mW，則根據(jù)式(8)可得：RqCA = 93.75℃/W。
如果RqCA=93.75℃/W、RqJC=30℃/W (TSOP-6)、Ta(max)=50℃、Tj(max) = 150℃，則最大耗散功率為： Pdiss(Q1)max=808mW。
如果電池初始電壓Vbatt= 3.0V，Rcs=105mW、VD1=0.35V(Icharge= 500mA)，根據(jù)式(6)，則在最糟糕的條件下Vds(Q1)最大值為：Vds(Q1)max= 1.40V。根據(jù)式(5)，所允許的最大充電電流：Icharge(max)=505mA
當(dāng)然，實(shí)際功耗會(huì)隨著電池電壓的升高而逐漸降低。

圖3 MAX1898單節(jié)Li+電池線性充電器

結(jié)語(yǔ)
通過(guò)優(yōu)化直流輸入電源、充電電流和適當(dāng)?shù)纳岽胧?，可以得到安全、可靠的單?jié)Li+電池線性充電方案。