提升移動(dòng)設(shè)備充電效率，線性鋰電池充電IC用途明顯銀杉電池

　　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(yīng)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(xué)習(xí)如何使用此類IC進(jìn)行設(shè)計(jì)非常重要。

　　電池通常可以將化學(xué)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(fù)，則該電池是二次電池或可充電電池。在行動(dòng)裝置的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)于有需求的應(yīng)用上更具吸引力。

　　減少設(shè)備成本與重量單節(jié)電池優(yōu)勢更顯著

　　假如設(shè)計(jì)人員在使用鋰離子電池時(shí)保持謹(jǐn)慎，其實(shí)是相當(dāng)安全的。表2列出了鋰離子電池供電系統(tǒng)的一些典型應(yīng)用。單節(jié)和雙節(jié)電池應(yīng)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(jī)和類似設(shè)備的設(shè)計(jì)中，最新的趨勢要求減少設(shè)備體積、成本和重量，這促使一些雙節(jié)電池應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)閱喂?jié)電池應(yīng)用。要叁節(jié)鎳氫電池的設(shè)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?cái)?shù)量的其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(yīng)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(jìn)行充電。USB協(xié)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓為5伏特(V)，這使USB協(xié)定關(guān)于單節(jié)鋰離子電池應(yīng)用極具吸引力。USB規(guī)範(fàn)規(guī)定，主機(jī)或集線器的電壓降範(fàn)圍為4.75~5.25V，且主機(jī)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(dá)到4.2V時(shí)，充電器會(huì)維持恆壓，直到滿足終止條件。應(yīng)當(dāng)仔細(xì)地設(shè)計(jì)電池的電壓(有一定的誤差範(fàn)圍)，以防止充電提前終止和出現(xiàn)危險(xiǎn)。此一USB電壓範(fàn)圍非常適合于簡單的步降充電器設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)的鋰離子電池穩(wěn)壓典型值為4.2V。

　　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?fù)涫蔷€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?fù)涞男士蛇_(dá)到100%。在考慮功率損耗之后，效率可能會(huì)降到85%與95%之間。公式1可用于計(jì)算LDO的效率。當(dāng)IGND遠(yuǎn)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化為VOUT與VIN的比。

　　此外，在典型的恆流(CC)充電模式期間，效率會(huì)從60%上升到84%。關(guān)于恆壓(CV)充電模式，效率將保持在84%。因而，當(dāng)輸入電壓約為5V時(shí)，在單節(jié)鋰離子電池充電器設(shè)計(jì)中，LDO拓?fù)淇闪己玫毓ぷ鳌Ｓ捎谑÷粤穗姼衅鳎琇DO拓?fù)溥€可降低成本，并且可防止與交換式拓?fù)溆嘘P(guān)的EMI難題。但是，假如要高于1A的快速充電電流，則應(yīng)考慮交換式拓?fù)洹９?給出了一個(gè)對此進(jìn)行說明的功耗計(jì)算公式。

　　pDISSIpATION=ICHARGE×(VIN–VOUT)=2A(5V–3V)=4瓦。。。。。。公式4

　　在此一範(fàn)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(jì)算。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮誤差最大的情況。即使是關(guān)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(dāng)室溫為25℃時(shí)，加上144℃會(huì)使系統(tǒng)中的溫度達(dá)到169℃。169℃的溫度超出了晶片的典型過溫關(guān)斷閥值。關(guān)于良好設(shè)計(jì)的鋰離子電池充電管理IC，應(yīng)包含溫度回饋電路，在溫度開始上升到閥值時(shí)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(dòng)元件。它們通常採用諸如SOT-23、MSOp和DFN之類的封裝。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，大多數(shù)低階線性電池充電器都進(jìn)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(jìn)行安全充電通常是低階充電器的基本目標(biāo)，也是唯一目標(biāo)。如圖1所示，簡單的電池充電器只須要使用一個(gè)5接腳個(gè)元件，為正常工作，最少要叁個(gè)元件，即一個(gè)輸入電容、一個(gè)輸出電容和一個(gè)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(jì)時(shí)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(shè)計(jì)良莠至關(guān)重要

　　除連結(jié)周邊與電腦外，USB協(xié)定還能以較低成本實(shí)現(xiàn)高速傳輸。通過USB埠將設(shè)備和周邊與電腦進(jìn)行連接已成為最流行的方式。USB的電壓範(fàn)圍為4.75?5.25V，非常適合用于恢復(fù)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(jìn)行充電。表3即列出了基于USB埠設(shè)計(jì)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(yīng)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(dǎo)體場效電晶體(MOSFET)在閘極驅(qū)動(dòng)，為低電位或高電位時(shí)設(shè)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(dòng)，直到完成驗(yàn)證為止。

　　通過可設(shè)置兩種不同充電電流的整合MOSFET，可簡化這種設(shè)計(jì)，并通過它可供應(yīng)預(yù)設(shè)的充電電流，或以可程式電阻器設(shè)計(jì)充電電流。如圖2所示，該示範(fàn)供應(yīng)了叁種不同的充電電流設(shè)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(shí)，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(gòu)圖

　　當(dāng)只有USB電纜時(shí)，充電電流將取決于MOSFET的閘極驅(qū)動(dòng)電流為邏輯高電位還是低電位。一些設(shè)計(jì)只須要一個(gè)輸入電源，但可通過介面之間的通訊來設(shè)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(yù)設(shè)USB充電電流會(huì)低于450mA。為了安全考慮及滿足USB規(guī)範(fàn)，正確的設(shè)計(jì)方法還應(yīng)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(shí)現(xiàn)無縫切換

　　隨著現(xiàn)今行動(dòng)裝置功能越來越多，關(guān)于電池管理的需求也不斷上升。在空間受限的應(yīng)用中，高度整合的電源軌(powerRail)控制可以大幅提升設(shè)計(jì)人員的便捷性，使每一個(gè)電源軌都具備良好的管理，以便在輸入電源路徑、系統(tǒng)負(fù)載和電池之間無縫地進(jìn)行切換。

　　如圖3所示，為鋰離子電池充電器的典型應(yīng)用電路。具有系統(tǒng)負(fù)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(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可對每個(gè)電源軌進(jìn)行管理，并當(dāng)輸入電壓不足以保持輸出電壓穩(wěn)按時(shí)，電池將處于支援模式。有時(shí)，除恢復(fù)電池能量外，還供應(yīng)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(fù)載平衡鋰離子電池充電器架構(gòu)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(shè)計(jì)指南的組織、當(dāng)?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(fàn)、設(shè)計(jì)人員的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)水準(zhǔn)或終端用戶的習(xí)慣等因素。而常見的功能包括用于每個(gè)充電階段的計(jì)時(shí)器、輸入過電壓保護(hù)、通訊協(xié)定、多個(gè)穩(wěn)壓輸出通道，以及電池認(rèn)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(hù)功能。當(dāng)輸入電壓超出保護(hù)閥值時(shí)，輸出充電電流會(huì)終止，然后當(dāng)輸入電壓下降到設(shè)計(jì)範(fàn)圍內(nèi)時(shí)，輸出充電電流會(huì)恢復(fù)(圖5)。關(guān)于行動(dòng)裝置而言，從2006年十二月開始，該功能已列入可攜式通訊設(shè)備充電器的必要技術(shù)及測試項(xiàng)目。

　　圖4在輸入過電壓保護(hù)啟動(dòng)時(shí)充電電流終止

　　圖5充電電流恢復(fù)

　　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?yàn)殄e(cuò)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(shè)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(huì)上升。因此，當(dāng)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4瓦。

　　pDISSIpATION=ICHARGE×(VIN–VOUT)

　　pDISSIpATION=1A(7V–3V)=4瓦

　　綠色技術(shù)永遠(yuǎn)都是熱門話題，而工程師和科學(xué)家總是努力不懈地改善現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，為社會(huì)供應(yīng)更好的解決方法。鋰離子電池可做為燃料動(dòng)力電池、太陽能電池、水力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)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(shè)計(jì)中的障礙。在須要考慮智慧、效率或功耗問題時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)全面地研究其解決方法，在可用平臺(tái)之間進(jìn)行權(quán)衡。值得注意的是，在設(shè)計(jì)電池或任何電源系統(tǒng)時(shí)，安全性絕對是優(yōu)先考慮因素。