單體鋰離子電池充電器的選項有很多種。隨著手持設備業(yè)務的不斷發(fā)展，對電池充電器的要求也不斷新增。要為完成這項工作而選擇正確的集成電路(IC)，我們必須權衡幾個因素。在開始設計以前，我們必須考慮諸如解決方法尺寸、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，然后選擇相應的充電器IC。本文中，我們將介紹不同的充電拓撲結構，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用和現(xiàn)有的解決方法。

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，電流經過穩(wěn)壓進入電池。在CC模式下，電流經過穩(wěn)壓達到兩個值之一。假如電池電壓非常低，則充電電流降低至預充電電平，以適應電池并防止電池損壞。該閾值因電池化學屬性而不同，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。假如電流降至預定電平(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

線性解決方法與開關模式解決方法比較

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

一般來說，電感開關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。電感開關電路要求開關組件、整流器、電感和輸入及輸出電容器。就許多應用而言，通過選擇一種將開關組件和整流器都嵌入到IC中的器件，可以縮小解決方法的尺寸。根據不同的負載，這些電路的典型效率為80%到96%。開關轉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。開關轉換器還會引起電感EMI輻射，以及開關帶來的輸出端噪聲。

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法只要求三個組件：旁路組件和輸入/輸出電容。相比電感開關，線性壓降穩(wěn)壓器(LDO)通常為一款低成本的解決方法，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，以供應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。這就是說解決方法的效率等于輸出電壓與輸入電壓的比。LDO解決方法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用的理想選擇。這些高功耗應用要求散熱，從而新增了解決方法的尺寸。

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)。我們應該針對終端應用電路板對熱阻建模。請記住，產品說明書中含義的ΘJA并非這種應用中熱阻的恰當表示方法。

應該使用什么樣的拓撲？

您要研究的第一個參數(shù)是充電電流。關于一些小型應用來說，例如：充電電流介于25Ma到150mA之間的藍牙TM耳機等，最佳解決方法幾乎都是線性充電器。這些應用一般都具有非常小的體積，無法為開關的更多組件供應額外空間。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。關于手機應用來說，充電電流一般在350-700mA范圍以內。在這種范圍中，很多時候線性解決方法仍然非常有效。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法。智能手機應用的電池體積較大，且充電電流需求大于1.5A，這時使用開關解決方法則更加合理。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。假如您從功耗的角度來看它，這種應用要消耗約2W。在一個熱阻(ΘJA)為40°C/W的應用中，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，其對手持設備來說是不可接受的。在極低電池電壓(即3V)下，這一問題甚至會變得極端嚴重。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解決方法，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3V輸出時的效率為80%，則功耗低于800mW，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法，并且能夠承受開關模式解決方法相關的稍許成本新增。

為任務選擇正確的IC

在您已經完成您的初步熱分析并且選好充電器拓撲以后，您便可以轉到選擇應用的最佳IC上來。新型的電池充電器解決方法集成了許多特性，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法都已將要求FET集成到了器件中，旨在節(jié)省電路板面積。

輸入過壓保護(單輸入與雙輸入比較)

在當今的市場上，USB電源已經成為最為常見的電源，因此通過USB電源充電已經成為一種必然性。市場已經從使用專門AC適配器和單獨USB接口的初始雙輸入轉變?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)據輸入接口的單輸入解決方法。這樣便導致一種從雙輸入解決方法向單輸入解決方法的轉移。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法和一種通用接口，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執(zhí)行過電壓狀態(tài)保護是有道理的。為了執(zhí)行這一功能，市場上出現(xiàn)了許多能夠承受20V甚至30V電壓的解決方法。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)，應用又再一次向雙輸入要求轉移。根據具體的應用要求，兩種配置結構都可以使用。

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。

圖2傳統(tǒng)拓撲結構舉例

圖3電源路徑拓撲結構舉例

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。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備，假設條件是其具有足夠的功率來驅動系統(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。傳統(tǒng)拓撲結構中，充電器的輸出電流必須設定為最大充電電流，以應對沒有系統(tǒng)負載的情況。當系統(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900mA適配器和500mAhr電池的系統(tǒng)，使用傳統(tǒng)方法可以編程500mA的充電電流。假如系統(tǒng)負載為200mA，有效充電電流僅為300mA，充電時間幾乎翻了一翻。假如使用ppM來研究這一相同案例，輸入電流限制設定為900mA。這樣便允許全部500mA充電電流，且擁有多達400mA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。假如系統(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，假如系統(tǒng)電流絕對不會降至設定終止電流以下，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)，一些器件執(zhí)行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，充電器關閉。這樣便關閉了電源負載，并允許輸入電壓恢復，從而開啟充電器。這種開/關脈沖發(fā)生并不是我們想要的。

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。假如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供應更安全運行的中間溫度。該JEITA標準在許多充電器IC中也很容易執(zhí)行。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聯(lián)的獨立解決方法。關于NTC受主機監(jiān)測的系統(tǒng)來說，許多IC都供應了非常簡單的執(zhí)行。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，許多應用都要求一個USBpHY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5VLDO。每當連接一個有效電源時，這種輸出便有效。5VLDO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行研究，以選擇最佳的解決方法。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構。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法。在這些簡單步驟之后，您的電池充電器設計應該就會變得簡單了。