锂离子电池的线性和开关式充电解决方案

心头大患。准确的充电终止方法对于安全可靠的充电系统来说非常关键。

　　电池温度监控
一般情况下，锂离子电池充电时的温度范围应当在0℃至45℃。在此温度范围之外对电池充电会导致电池过热。在充电周期中，电池内的压力上升还会 导致电池膨胀。温度与压力直接相关。随着温度上升，压力也会过大，这可能会导致电池内部的机械破裂或材料泄漏，严重时还有可能导致爆炸。在此温度范围之外 对电池充电还会损害电池的性能，或缩短电池的预期寿命。

　　通常锂离子电池包内都采用了热敏电阻来准确测量电池温度。充电器检测热敏电阻的阻值，当阻值超出规定工作范围，即温度超过规定范围时，充电被禁止。

　　电池放电电流或反向泄漏电流

　　在许多应用中，即使输入电源不存在，充电系统仍然与电池相连。充电系统必须保证输入电源不存在时，从电池汲取的电流极小。最大泄漏电流应当小于几个微安，通常应小于一个微安。

　　锂离子充电——应用实例

　　将以上几点系统注意事项事先充分考虑，就能开发出适合的充电管理系统。

　　线性解决方案

　　当存在稳压良好的输入电源时，通常采用线性充电解决方案。在此类应用中，线性解决方案的优点包括易用、尺寸小以及成本低。由于线性充电解决方案 效率低，因此影响设计的最重要因素就是散热设计。散热设计是输入电压、充电电流以及传输晶体管和环境冷却空气间的热阻。最糟的情况是器件从涓流充电阶段向 恒流充电阶段转换时，在此情况下，传输晶体管必须散发最大的热能，必须在充电电流、系统尺寸、成本和散热要求之间进行权衡。

　　例如，应用中需要利用一个5V ±5%的输入电源以0.5C或1C的恒定电流对一个1000mAh的单节锂离子电池充电。图3显示了如何利用Microchip的 MCP73843构成一个低成本的独立解决方案，只需要极少量的外部元器件，就可以实现所需要的充电算法。MCP73843完美地结合了高精度恒流充电、 恒压稳压以及自动充电终止等功能。

　　为进一步减小线性解决方案的尺寸、降低其成本和复杂性，许多外部元器件都可以集成到充电管理控制器中。先进的封装可以提供更高的集成度，当然也 会牺牲一定的灵活性。此类封装需要先进的生产设备，许多情况下避免了返工。通常会集成充电电流检测、传输晶体管以及反向放电保护。此外此类充电管理控制器 还会实现一定的热调节功能。热调节功能可根据器件管芯温度来限制充电电流，从而可在保证器件可靠性的情况下优化充电周期时间，热调节功能大大降低了散热设 计的工作量。

　    锂离子充电——系统注意事项

　　基于Microchip MCP73861的全集成线性解决方案如图4所示。MCP73861包含了MCP73843的所有功能，另外还包括电流检测、传输晶体管、反向放电保护以及电池温度监测。

充电周期波形

　　利用MCP73843在1C和0.5C恒流充电速率下的整个充电周期如图5。以0.5C而不是1C速率充电时，充电结束的时间大约晚了一个小 时。MCP73843在快速充电过程中会按充电电流成比例地缩减充电终止电流。结果是充电时间延长36%，好处则是电池容量增加2%，同时还减少了功率损 耗。充电终止电流从0.07C降到0.035C，使得最终电池容量从~98%增长到~100%。系统设计师必须在充电时间、功率损耗和可用电池容量之间进 行权衡。

　　开关式充电解决方案

　　输入电压波动范围宽或输入输出电压差大的应用通常采用开关式充电解决方案。此类应用中，开关式解决方案的优点体现在可以提高效率，缺点则是系统复杂、尺寸相对较大且成本较高。例如应用中需要利用汽车适配器以0.5C或1C的恒定电流对一个2200mAh的单节锂离子电池充电，由于散热等问题，利用线性解决方案实现极为困难，当然也可以采用支持热调节的线性解决方案，但降低充电电流造成的充电周期延长是无法接受的。

　　成功设计开关式充电解决方案的第一步是选择设计结构：降压式、升压式、升/降压式、反激式、单端初级电感式(SEPIC)或者其他形式。根据输 入和输出要求以及经验，可以迅速将适用于该应用的选择范围缩小为两种结构：降压式还是SEPIC式。降压式转换器的优点是仅需要一个电感，而缺点是需要额 外的二极管用于反向放电保护、高端栅极驱动和电流检测，以及脉冲式输入电流(会导致EMI)。SEPIC拓扑结构的优点是低端栅极驱动和电流检测、持续输 入电流以及输入和输出间的直流隔离，其主要缺点是需要两个电感和一个能量传输电容。

MCP1630是一款可配合单片机使用的高速脉宽调制器(PWM)，配合单片机，MCP1630可控制电源系统占空比，提供输出电压或电流稳定 功能。