鉅大LARGE | 點擊量：559次 | 2021年12月23日
提升移動設備充電效率，線性鋰離子電池充電IC用途明顯
由于下一代電池的開發(fā)速度至今仍跟不上摩爾定律的步伐，所以須要可以供應更好性能、高度整合且功能豐富的積體電路（IC）。為了簡化新系統(tǒng)的開發(fā)，學習如何使用此類IC進行設計非常重要。
電池通?？梢詫⒒瘜W能轉(zhuǎn)化為電能或電壓，因此假如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。在行動裝置的應用中常用的電池是鎳氫（NiMH）電池和鋰離子（Li-Ion）電池。如表1所示，與鎳氫電池相比，鋰離子電池具有更好的特性。例如，每節(jié)電池的標準電壓更高、自放電率更低、品質(zhì)能量密度與體積能量密度更高，這使它們關于有需求的應用上更具吸引力。
減少設備成本與重量單節(jié)電池優(yōu)勢更顯著
假如設計人員在使用鋰離子電池時保持謹慎，其實是相當安全的。表2列出了鋰離子電池供電系統(tǒng)的一些典型應用。單節(jié)和雙節(jié)電池應用占據(jù)了大約70%的鋰離子電池市場。在小工具、數(shù)位攝影機和類似設備的設計中，最新的趨勢要求減少設備體積、成本和重量，這促使一些雙節(jié)電池應用轉(zhuǎn)變?yōu)閱喂?jié)電池應用。要叁節(jié)鎳氫電池的設備，其電池可用單節(jié)鋰離子電池替代。而減少系統(tǒng)中電池數(shù)量的其中一個優(yōu)點是，可以省去為了平衡多節(jié)電池所需的額外工作。
透過廣泛應用的通用序列匯流排（USB），鋰離子電池可以使用大多數(shù)電腦上的USB埠進行充電。USB協(xié)定的標準電壓為5伏特（V），這使USB協(xié)定關于單節(jié)鋰離子電池應用極具吸引力。USB規(guī)範規(guī)定，主機或集線器的電壓降範圍為4.75~5.25V，且主機和集線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演算法是恆流與恆壓（CC/CV）演算法。在每節(jié)電池的充電電壓達到4.2V時，充電器會維持恆壓，直到滿足終止條件。應當仔細地設計電池的電壓（有一定的誤差範圍），以防止充電提前終止和出現(xiàn)危險。此一USB電壓範圍非常適合于簡單的步降充電器設計，這種設計的鋰離子電池穩(wěn)壓典型值為4.2V。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
低壓差轉(zhuǎn)換器與交換式轉(zhuǎn)換器比較
目前兩種常用的步降拓撲是線性，即低壓差轉(zhuǎn)換器（LDO）和交換式（降壓）轉(zhuǎn)換器。理想情況下，交換式拓撲的效率可達到100%。在考慮功率損耗之后，效率可能會降到85%與95%之間。公式1可用于計算LDO的效率。當IGND遠小于IOUT時，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化為VOUT與VIN的比，如公式2和3中所示。
。。。。。。公式1
。。。。。。公式2
。。。。。。。公式3
此外，在典型的恆流（CC）充電模式期間，效率會從60%上升到84%。關于恆壓（CV）充電模式，效率將保持在84%。因而，當輸入電壓約為5V時，在單節(jié)鋰離子電池充電器設計中，LDO拓撲可良好地工作。由于省略了電感器，LDO拓撲還可降低成本，并且可防止與交換式拓撲有關的EMI難題。但是，假如要高于1A的快速充電電流，則應考慮交換式拓撲。公式4給出了一個對此進行說明的功耗計算公式。
pDISSIpATION=ICHARGE×（VIN–VOUT）=2A（5V–3V）=4瓦。。。。。。公式4
在此一範例中，選擇的電池充電電流為2安培（A）、電池電壓為3V，以說明CC模式下的最壞情況。選擇的輸入電壓為5V，以簡化計算。在設計系統(tǒng)時，應考慮誤差最大的情況。即使是關于額定熱阻為35℃/瓦（W）的4毫米（mm）×4毫米QFN封裝，也很難散去4瓦的功耗，如公式5所示。
35℃/瓦×4瓦=144℃。。。。。。公式5
當室溫為25℃時，加上144℃會使系統(tǒng)中的溫度達到169℃。169℃的溫度超出了晶片的典型過溫關斷閥值。關于良好設計的鋰離子電池充電管理IC，應包含溫度回饋電路，在溫度開始上升到閥值時降低充電電流。
低階線性鋰離子電池充電器成本低
低階線性鋰離子電池充電器通常成本很低，接腳數(shù)很少，且只要很少的被動元件。它們通常採用諸如SOT-23、MSOp和DFN之類的封裝。隨著半導體技術的成熟，大多數(shù)低階線性電池充電器都進行了完全整合。典型的接腳數(shù)介于5~10接腳之間。
對鋰離子電池進行安全充電通常是低階充電器的基本目標，也是唯一目標。如圖1所示，簡單的電池充電器只須要使用一個5接腳個元件，為正常工作，最少要叁個元件，即一個輸入電容、一個輸出電容和一個可程式化的電阻器。
圖1典型的低階線性鋰離子電池充電器
此外，可能還有其他接腳，用于額外狀態(tài)指示、電源狀況指示、電池溫度監(jiān)視、計時器和邏輯電流控制之類的功能。
左右單節(jié)鋰離子電池充電效能USB埠設計良莠至關重要
除連結(jié)周邊與電腦外，USB協(xié)定還能以較低成本實現(xiàn)高速傳輸。通過USB埠將設備和周邊與電腦進行連接已成為最流行的方式。USB的電壓範圍為4.75？5.25V，非常適合用于恢復單節(jié)鋰離子電池或電池組的能量。目前有許多方法可用于對單節(jié)鋰離子電池進行充電。表3即列出了基于USB埠設計單節(jié)鋰離子電池充電器的一些基本方法。
首先第一種方法採用低功率USB埠來供應固定充電電流。該方法最終的電流通常低于低速USB埠的絕對最大電流（即100mA）。由于電阻容差、充電電流和電源電流的塬因，該充電電流通常低于90mA。該方法只是簡單地將USB埠作為額定參數(shù)為5V、100mA的電源。為了利用高速USB埠，可使用外部金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）在閘極驅(qū)動，為低電位或高電位時設置兩種不同的充電電流。高速USB埠允許的絕對最大電流為500mA，但USB埠通常是以低速啟動，直到完成驗證為止。
通過可設置兩種不同充電電流的整合MOSFET，可簡化這種設計，并通過它可供應預設的充電電流，或以可程式電阻器設計充電電流。如圖2所示，該示範供應了叁種不同的充電電流設置，并可在墻式電源適配器和USB埠之間無縫的切換。存在墻式電源適配器時，最大充電電流可很容易超過高速USB埠的500mA。
圖2雙輸入鋰離子電池充電器架構圖
當只有USB電纜時，充電電流將取決于MOSFET的閘極驅(qū)動電流為邏輯高電位還是低電位。一些設計只須要一個輸入電源，但可通過介面之間的通訊來設置不同的輸入類型。通常，出于與低速USB埠相同的塬因，而高速USB埠的預設USB充電電流會低于450mA。為了安全考慮及滿足USB規(guī)範，正確的設計方法還應限制來自USB埠的輸入電流。
高整合度電源軌控制添臂力電池充電器實現(xiàn)無縫切換
隨著現(xiàn)今行動裝置功能越來越多，關于電池管理的需求也不斷上升。在空間受限的應用中，高度整合的電源軌（powerRail）控制可以大幅提升設計人員的便捷性，使每一個電源軌都具備良好的管理，以便在輸入電源路徑、系統(tǒng)負載和電池之間無縫地進行切換。
如圖3所示，為鋰離子電池充電器的典型應用電路。具有系統(tǒng)負載平衡和電源路徑管理功能，可在不同電源軌之間切換。使用該設計一個優(yōu)點是可對每個電源軌進行管理，并當輸入電壓不足以保持輸出電壓穩(wěn)按時，電池將處于支援模式。有時，除恢復電池能量外，還供應諸如低電量指示或控制、電源選擇之類的附加功能。
圖3系統(tǒng)負載平衡鋰離子電池充電器架構圖
電池充電器其他功能
隨著鋰離子電池日益廣泛使用，安全和功能需求也不斷上升。這些需求可能來自推行無危害設計指南的組織、當?shù)氐墓芾矸ㄒ?guī)或政策、區(qū)域產(chǎn)品製造商偏好、電池製造商規(guī)範、設計人員的相關經(jīng)驗水準或終端用戶的習慣等因素。而常見的功能包括用于每個充電階段的計時器、輸入過電壓保護、通訊協(xié)定、多個穩(wěn)壓輸出通道，以及電池認證等。
如圖4所示，該圖說明單節(jié)鋰離子電池充電器的輸入過電壓保護功能。當輸入電壓超出保護閥值時，輸出充電電流會終止，然后當輸入電壓下降到設計範圍內(nèi)時，輸出充電電流會恢復（圖5）。關于行動裝置而言，從2006年十二月開始，該功能已列入可攜式通訊設備充電器的必要技術及測試項目。
圖4在輸入過電壓保護啟動時充電電流終止
圖5充電電流恢復
另一方面，通過限制線性電池充電器的輸入電壓，可以防止終端用戶因為錯誤使用墻式電源適配器，并防止出現(xiàn)尖峰電壓。如公式4所示，假設充電電流為1A，假如輸入和輸出電壓（電池電壓）上升，則功耗也會上升。因此，當輸入電壓和電池電壓之間的電壓差上升到4V時，功耗將為4瓦。
pDISSIpATION=ICHARGE×（VIN–VOUT）
pDISSIpATION=1A（7V–3V）=4瓦
綠色技術永遠都是熱門話題，而工程師和科學家總是努力不懈地改善現(xiàn)有的設計，為社會供應更好的解決方法。鋰離子電池可做為燃料動力電池、太陽能電池、水力發(fā)電和風力發(fā)電的儲存、后備或支援性能源。而高度整合的線性解決方法則可以克服低功率設計中的障礙。在須要考慮智慧、效率或功耗問題時，設計人員應全面地研究其解決方法，在可用平臺之間進行權衡。值得注意的是，在設計電池或任何電源系統(tǒng)時，安全性絕對是優(yōu)先考慮因素。
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