支持熱調(diào)節(jié)和輸入過壓保護(hù)功能的線性鋰電池充電器

電池的充電要求

充電曲線適用于鋰離子電池充電，它包括3個(gè)充電階段：預(yù)充階段、快充恒流(CC)階段、恒壓(CV)終止階段。在預(yù)充階段，在電池電壓低于3．0 V時(shí)，電池以較低速率充電。通常情況下，當(dāng)電池電壓達(dá)到3．0 V，充電器就會(huì)進(jìn)入CC階段。快速充電階段CC通常限制在1 C電池額定值以下。如果充電率超過1 C，那么電池使用壽命就會(huì)縮短，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)上積存的金屬鋰會(huì)與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，造成永久損失。最后，充電器會(huì)進(jìn)入CV階段，這時(shí)它將保持峰值電池電壓，并在充電電流下降到預(yù)定義大小時(shí)終止充電。

電池容量是電池電壓的函數(shù)，電壓越高，容量就越大。不過，如果電池電壓升高，就會(huì)導(dǎo)致電池使用壽命縮短。例如，如果用4.3 V電壓給電池充電，那么容量就會(huì)提高lO％，但電池使用壽命會(huì)縮短一半。另一方面，如果電池充電不足，比理想電壓狀態(tài)低40 mV，那么容量就會(huì)降低約8％。因此，非常精準(zhǔn)的電池充電電壓至關(guān)重要。

2 支持輸入OVP的熱調(diào)節(jié)電池充電器

圖1為支持熱調(diào)節(jié)和輸入OVP的低成本單獨(dú)線性電池充電器電路。該充電器能將適配器的DC電壓降到電池電壓水平。線性充電器的功耗計(jì)算公式：


充電器從預(yù)充階段轉(zhuǎn)向快充模式時(shí)，輸入電壓與電池電壓之間有較大差值，這時(shí)功耗會(huì)達(dá)到最高。例如，如果用5 V適配器來給1 200 mAh鋰離子電池充電，那么在1 A充電電流與3．2 V電池電壓下的最大功耗為1．8 W。如果采用3 mmx3 mm QFN封裝，熱阻抗為47℃/W，這樣的功耗會(huì)造成85℃的溫度提升。在45℃環(huán)境溫度下，結(jié)溫超過125℃的工作溫度極限。在充電開始階段，很難將結(jié)溫控制在安全散熱范圍內(nèi)。隨著電池電壓在充電階段不斷升高，功耗也會(huì)下降。充電進(jìn)入CV模式后，功耗會(huì)進(jìn)一步下降，而充電電流也開始下降。

如何改進(jìn)設(shè)計(jì)才能確保充電器在安全散熱范圍內(nèi)正常工作呢?更高級(jí)的電池充電器(如bq2406x與bq2403x)引入了熱調(diào)節(jié)環(huán)路，可避免充電器過熱。內(nèi)部芯片溫度達(dá)到預(yù)定義的溫度閾值后(如110℃)，器件溫度只要進(jìn)一步提升就會(huì)使充電電流下降。這有助于限制功耗，并為充電器提供熱保護(hù)。使IC結(jié)溫升高到熱調(diào)節(jié)的最大功耗取決于PCB板布局、散熱通孔的數(shù)量以及環(huán)境溫度。從圖2看出，1．2 s之后，熱環(huán)路會(huì)在2 s內(nèi)將有效充電電流從1.2 A降至600 mA。

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熱調(diào)節(jié)通常在快充早期階段進(jìn)行，不過如果在CV模式下器件仍然工作的話，充電電流會(huì)過早達(dá)到充電終止閾值。為了避免充電誤終止，只要散熱調(diào)節(jié)回路在工作，電池充電終止功能就會(huì)被禁用。此外，降低有效充電電流會(huì)延長電池充電時(shí)間，如果充電安全計(jì)時(shí)器有固定設(shè)置的話，就會(huì)過早終止充電。bq2406x采用動(dòng)態(tài)安全計(jì)時(shí)器控制電路，能在熱調(diào)節(jié)階段有效延長安全時(shí)間，并盡可能降低安全計(jì)時(shí)器的故障率。從圖3中可以看出，熱調(diào)節(jié)模式下安全計(jì)時(shí)器的響應(yīng)與有效充電電流成反比。
啟用電池充電功能后，內(nèi)部電路會(huì)生成與ISET引腳設(shè)置的實(shí)際充電電流成正比的電流。電阻器RSET上生成的電壓反映的是充電電流。該電壓可由主機(jī)監(jiān)控，以獲取充電電流信息。

為鋰離子電池充電的適配器有很多種。低價(jià)位適配器的穩(wěn)壓輸出可能不太理想，空載下的輸出電壓也高于正常負(fù)載情況。此外，在電池?zé)岵迦饲闆r下，充電器輸入電壓會(huì)達(dá)到適配器電壓的兩倍，這是由線纜電感和電池充電器輸入電容間的共振造成的。為了在輸入電壓高于預(yù)定義閾值時(shí)提高安全度，bq2406x充電器的輸入OVP功能將禁止充電。

LDO模式(TMR引腳開路時(shí))可禁止充電終止電路或電池檢測電路工作。并將安全定時(shí)器時(shí)鐘保持在復(fù)位狀態(tài)。該模式通常用于無電池或正在進(jìn)行測試的工作環(huán)境。

許多應(yīng)用都要求在電池充電同時(shí)給系統(tǒng)供電。如圖l所示，系統(tǒng)直接連接到電池充電輸出，系統(tǒng)和充電器間的相互影響會(huì)使安全計(jì)時(shí)器生成錯(cuò)誤充電終止信息。圖4為能夠解決上述問題的典型應(yīng)用電路。這里有兩個(gè)獨(dú)立的電源路徑，一個(gè)給電池充電，另一個(gè)給系統(tǒng)供電。如果AC適配器不可用，那么電池放電MOSFET在R4和C2設(shè)置的時(shí)間延遲之后就會(huì)打開，這樣電池就能給系統(tǒng)供電了。

3 總結(jié)

支持熱調(diào)節(jié)功能的線性電池充電器能顯著提高散熱設(shè)計(jì)與安全性。利用輸入OVP機(jī)制，只有經(jīng)過認(rèn)可的適配器才能給電池充電，從而提高系統(tǒng)安全性。