引言　　

電池可將化學(xué)能轉化為電勢(或電壓)。如果某種電池的能量可以恢復，則該電池是二次電池(或可充電電池)。便攜式應用中常用的電池是鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li-Ion)電池。與鎳氫電池相比，鋰離子電池具有更好的特性，如每節電池的標稱(chēng)電壓更高、自放電率更低、質(zhì)量能量密度與體積能量密度更高，這使它們對于輕質(zhì)和空間敏感應用的供電更具吸引力。

優(yōu)勢分析

如果設計人員在使用鋰離子電池時(shí)時(shí)刻小心，那么鋰離子電池是相對安全的。單節和雙節電池應用占據了大約70%的鋰離子電池市場(chǎng)。在小工具、數碼攝像機和類(lèi)似設備的設計中，最新的趨勢要求減少設備的體積、成本和重量，這促使一些雙節電池應用轉變?yōu)閱喂濍姵貞谩?br />
需要三節鎳氫電池的設備中的電池也可用單節鋰離子電池替代。減少系統中電池數量的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可省去為平衡多節電池所需的額外設計工作。

通過(guò)廣泛應用的通用串行總線(xiàn)(USB)，鋰離子電池可使用大多數計算機上的USB端口進(jìn)行充電。USB協(xié)議的標稱(chēng)電壓為5V，這使USB協(xié)議對于單節鋰離子電池應用極具吸引力。USB規范規定，主機和/或集線(xiàn)器的電壓降范圍為4.75V~5.25V，并且主機和/或集線(xiàn)器的連接器的電壓不允許低于4.45V。鋰離子電池的典型充電算法是恒流與恒壓(CC/CV)算法。在每節電池的充電電壓達到4.2V時(shí)，充電器會(huì )維持恒壓，直到滿(mǎn)足終止條件。應當仔細地設計電池的電壓(有一定的誤差范圍)，以避免充電提前終止或產(chǎn)生危險。USB電壓范圍非常適合于簡(jiǎn)單的步降充電器設計，這樣設計的鋰離子電池穩壓典型值為4.2V。

兩種常用的步降拓撲是線(xiàn)性(低壓差，LDO)轉換器和開(kāi)關(guān)(降壓)轉換器。理想情況下，開(kāi)關(guān)拓撲的效率可達到100%。在考慮功率損耗后，效率可能會(huì )降到85%~95%之間。公式(1)可用于計算LDO的效率。

　　

當IGND遠小于IOUT時(shí)，可以忽略它。因此，基于LDO的鋰離子電池充電器的效率可以簡(jiǎn)化為VOUT與VIN的比，如公式(2)和(3)中所示。

　　


 
在典型的恒流(CC)充電模式期間，效率會(huì )從60%上升到84%。對于恒壓(CV)充電模式，效率將保持在84%。因而，當輸入電壓約為5V時(shí)，在單節鋰離子電池充電器設計中，LDO拓撲可良好地工作。由于省略了電感，LDO拓撲還可以降低成本，且可避免與開(kāi)關(guān)拓撲有關(guān)的EMI難題。但是，如果需要高于1A的快速充電電流，則應考慮開(kāi)關(guān)拓撲。公式(4)給出了一個(gè)對此進(jìn)行說(shuō)明的功耗計算公式。

PDISSIPATION=ICHARGE×(VIN–VOUT)=2A(5V–3V)=4W (4)

在該示例中，選擇的電池充電電流為2A、電池電壓為3V，以說(shuō)明CC模式下的最壞情況。選擇的輸入電壓為5V，以簡(jiǎn)化計算。在設計系統時(shí)，應考慮誤差最大的情況。

即使是對于額定熱阻為35℃/W的4mm×4mm QFN封裝，也很難散去4W的功耗，如公式(5)所示。

35℃/W×4W = 144℃ (5)

室溫為25℃時(shí)，加上144℃會(huì )使系統中的溫度達到169℃。169℃的結溫超出了典型管芯溫度的過(guò)溫關(guān)斷閾值。對于良好設計的鋰離子電池充電管理IC，應包含溫度反饋電路，在溫度開(kāi)始上升到閾值時(shí)降低充電電流。

低端線(xiàn)性鋰離子電池充電器

低端線(xiàn)性鋰離子電池充電器通常成本很低，引腳數很少，且只需要很少的無(wú)源元件。它們通常采用SOT-23、MSOP和DFN等封裝。隨著(zhù)半導體技術(shù)的成熟，大多數低端線(xiàn)性電池充電器都進(jìn)行了完全集成。典型的引腳數介于5~10引腳之間。

對鋰離子電池進(jìn)行安全充電通常是低端充電器的基本目標，也是唯一目標。不需要任何附加的功能。簡(jiǎn)單的5引腳電池充電器為了正常工作，最少需要三個(gè)元件——一個(gè)輸入電容、一個(gè)輸出電容和一個(gè)編程電阻。此外，可能還有其他引腳，用于額外狀態(tài)指示、電源狀況指示、電池溫度監視、定時(shí)器和邏輯電流控制之類(lèi)的功能。

基于USB的線(xiàn)性鋰離子電池充電器

除鏈接外設與計算機外，USB協(xié)議還能以較低成本實(shí)現高速傳輸。通過(guò)USB端口將設備和外設與計算機連接已經(jīng)成為最流行的方式。如前面所討論的，USB的電壓范圍為4.75V~5.25V，非常適合用于恢復單節鋰離子電池或電池組的能量。有許多方法可以用于對單節鋰離子電池進(jìn)行充電。

表1列出了基于USB端口設計單節鋰離子電池充電器的一些基本方法。


第一種方法采用低功率USB端口來(lái)提供固定充電電流。該方法最終的電流通常低于低速USB端口的絕對最大電流(即100mA)。由于電阻容差、充電電流和電源電流的原因，該充電電流通常低于90mA。該方法只是簡(jiǎn)單地將USB端口作為額定參數為5V、100mA的電源。為利用高速USB端口，可使用外部MOSFET在柵極驅動(dòng)為低電平或高電平時(shí)設置兩種不同的充電電流。高速USB端口允許的絕對最大電流為500mA，但端口應總是以低速啟動(dòng)，直到完成驗證為止。

通過(guò)設置兩種不同充電電流的集成MOSFET，可簡(jiǎn)化這種設計，且通過(guò)它可以提供預設或電阻可編程充電電流。


圖1所示為一個(gè)示例，該示例提供了三種不同的充電電流設置，并且可以在墻式適配器(AC/DC適配器)和USB端口之間進(jìn)行無(wú)縫切換。存在墻式適配器時(shí)，最大充電電流可很容易地超過(guò)高速USB端口的500mA。當只有USB電纜時(shí)，充電電流將取決于MOSFET的柵極驅動(dòng)電流為邏輯高電平還是低電平。一些設計只需要一個(gè)輸入電源軌，但可通過(guò)接口之間的通信來(lái)設置不同的輸入類(lèi)型。通常，出于與低速USB端口相同的原因，高速USB端口的預設USB充電電流會(huì )低于450mA。為安全考慮，以及為滿(mǎn)足USB規范，正確的設計方法還應限制來(lái)自USB端口的輸入電流。

系統負載均衡和電源路徑管理類(lèi)型的鋰離子電池充電器

在今天的便攜式設備中，隨功能的增多，對于適當電池管理的需求也不斷增長(cháng)。在空間受限的應用中，高度集成的電源軌控制可提升設計人員的體驗。每個(gè)電源軌都需要進(jìn)行良好的管理，以便在輸入電源路徑、系統負載和電池之間進(jìn)行無(wú)縫切換。


圖2所示為具有以下特性的鋰離子電池充電器的典型應用電路：具有系統負載均衡和電源路徑管理功能，可在不同電源之間切換。使用該設計而不是傳統方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可對每個(gè)電源軌進(jìn)行管理，且當輸入電壓不足以保持輸出電壓穩定時(shí)，電池將處于支持模式。有時(shí)，除恢復電池能量外，還提供低電量指示或控制、電源選擇等附加功能。

電池充電器的其他功能

隨著(zhù)鋰離子電池的日益廣泛使用，安全和功能需求也不斷上升。這些需求可能源自推行無(wú)危害設計指南的內部組織、當地的管理法規或政策、區域產(chǎn)品制造商偏好、電池制造商規范、設計人員的經(jīng)驗水平或最終用戶(hù)的習慣。常見(jiàn)的功能包括用于每個(gè)充電階段的定時(shí)器、輸入過(guò)電壓保護、通信協(xié)議、多個(gè)穩壓輸出通道，以及電池認證等。

單節鋰離子電池充電器具有輸入過(guò)壓保護功能。當輸入電壓超出保護閾值時(shí)，輸出充電電流會(huì )終止，然后當輸入電壓下降到設計范圍內時(shí)，輸出充電電流會(huì )恢復。對于移動(dòng)設備，從2006年12月開(kāi)始，該特性被推薦作為移動(dòng)通信終端設備充電器接口的技術(shù)要求和測試方法。

通過(guò)限制線(xiàn)性電池充電器的輸入電壓，可防止最終用戶(hù)錯誤使用墻式適配器(AC/DC適配器)，并防止產(chǎn)生尖峰電壓。由公式(4)可得出：PDISSIPATION=ICHARGE×(VIN–VOUT)=1A×(7V–3V)=4W

假設充電電流為1A，如果輸入和輸出電壓(電池電壓)上升，則功耗也會(huì )上升。因此，當輸入電壓和電池電壓之間的電壓差上升到4V時(shí)，功耗將為4W。

結語(yǔ)

鋰離子電池可以設計為使用燃料電池、光電太陽(yáng)能電池、水能和風(fēng)能作為儲存、后備或支持能源。高度集成的線(xiàn)性解決方案可克服低功率設計中的障礙(例如緊湊性和簡(jiǎn)單性)。在設計電池或任何電源系統時(shí)，安全性總是優(yōu)先考慮的因素。



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