为便携式系统设计线性锂离子电池充电器

引言

诸如电池之类的能量储存设备改变了人们的生活方式。电池供电的个人电子设备的日常使用量在逐年增长。此外，人们希望设备的运行时间更长、体积更紧凑，这种需求推动着电池和半导体行业的持续发展。由于下一代电池的开发速度跟不上摩尔定律的步伐，所以需要可提供更好性能的高度集成、功能丰富的IC产品。为简化新系统的开发，学习如何使用此类IC进行设计非常重要。

电池可将化学能转化为电势(或电压)。如果某种电池的能量可以恢复，则该电池是二次电池(或可充电电池)。便携式应用中常用的电池是镍氢(NiMH)电池和锂离子(Li-Ion)电池。与镍氢电池相比，锂离子电池具有更好的特性，如每节电池的标称电压更高、自放电率更低、质量能量密度与体积能量密度更高，这使它们对于轻质和空间敏感应用的供电更具吸引力。

优势分析

如果设计人员在使用锂离子电池时时刻小心，那么锂离子电池是相对安全的。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、数码摄像机和类似设备的设计中，最新的趋势要求减少设备的体积、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。

需要三节镍氢电池的设备中的电池也可用单节锂离子电池替代。减少系统中电池数量的一个优点是可省去为平衡多节电池所需的额外设计工作。

通过广泛应用的通用串行总线(USB)，锂离子电池可使用大多数计算机上的USB端口进行充电。USB协议的标称电压为5V，这使USB协议对于单节锂离子电池应用极具吸引力。USB规范规定，主机和/或集线器的电压降范围为4.75V~5.25V，并且主机和/或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算法是恒流与恒压(CC/CV)算法。在每节电池的充电电压达到4.2V时，充电器会维持恒压，直到满足终止条件。应当仔细地设计电池的电压(有一定的误差范围)，以避免充电提前终止或产生危险。USB电压范围非常适合于简单的步降充电器设计，这样设计的锂离子电池稳压典型值为4.2V。

两种常用的步降拓扑是线性(低压差，LDO)转换器和开关(降压)转换器。理想情况下，开关拓扑的效率可达到100%。在考虑功率损耗后，效率可能会降到85%~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，如公式(2)和(3)中所示。




在典型的恒流(CC)充电模式期间，效率会从60%上升到84%。对于恒压(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，LDO拓扑还可以降低成本，且可避免与开关拓扑有关的EMI难题。但是，如果需要高于 1A的快速充电电流，则应考虑开关拓扑。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)=4W    (4)

在该示例中，选择的电池充电电流为2A、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。

即使是对于额定热阻为35℃/W的4mm×4mm QFN封装，也很难散去4W的功耗，如公式(5)所示。

35℃/W×4W = 144℃   (5)

室温为25℃时，加上144℃会使系统中的温度达到169℃。169℃的结温超出了典型管芯温度的过温关断阈值。对于良好设计的锂离子电池充电管理IC，应包含温度反馈电路，在温度开始上升到阈值时降低充电电流。

低端线性锂离子电池充电器

低端线性锂离子电池充电器通常成本很低，引脚数很少，且只需要很少的无源元件。它们通常采用SOT-23、MSOP和DFN等封装。随着半导体技术的成熟，大多数低端线性电池充电器都进行了完全集成。典型的引脚数介于5~10引脚之间。

对锂离子电池进行安全充电通常是低端充电器的基本目标，也是唯一目标。不需要任何附加的功能。简单的5引脚电池充电器为了正常工作，最少需要三个元件—— 一个输入电容、一个输出电容和一个编程电阻。此外，可能还有其他引脚，用于额外状态指示、电源状况指示、电池温度监视、定时器和逻辑电流控制之类的功能。

基于USB的线性锂离子电池充电器

除链接外设与计算机外，USB协议还能以较低成本实现高速传输。通过USB端口将设备和外设与计算机连接已经成为最流行的方式。如前面所讨论的，USB的电压范围为4.75V~5.25V，非常适合用于恢复单节锂离子电池或电池组的能量。有许多方法可以用于对单节锂离子电池进行充电。

表1列出了基于USB端口设计单节锂离子电池充电器的一些基本方法。

表1 使用USB端口进行充电的方法


第一种方法采用低功率USB端口来提供固定充电电流。该方法最终的电流通常低于低速USB端口的绝对最大电流(即100mA)。由于电阻容差、充电电流和电源电流的原因，该充电电流通常低于90mA。该方法只是简单地将USB端口作为额定参数为5V、100mA的电源。为利用高速USB端口，可使用外部 MOSFET在栅极驱动为低电平或高电平时设置两种不同的充电电流。高速USB端口允许的绝对最大电流为500mA，但端口应总是以低速启动，直到完成验证为止。

通过设置两种不同充电电流的集成MOSFET，可简化这种设计，且通过它可以提供预设或电阻可编程充电电流。


图1 双输入锂离子电池充电器

图1所示为一个示例，该示例提供了三种不同的充电电流设置，并且可以在墙式适配器(AC/DC适配器)和USB端口之间进行无缝切换。存在墙式适配器时，最大充电电流可很容易地超过高速USB端口的500mA。当只有USB电缆时，充电电流将取决于MOSFET的栅极驱动电流为逻辑高电平还是低电平。一些设计只需要一个输入电源轨，但可通过接口之间的通信来设置不同的输入类型。通常，出于与低速USB端口相同的原因，高速USB端口的预设USB充电电流会低于450mA。为安全考虑，以及为满足USB规范，正确的设计方法还应限制来自USB端口的输入电流。