單體鋰離子電池應(yīng)用充電器IC的選擇

　　單體鋰離子 （Li-Ion） 電池充電器的選項(xiàng)有很多種。隨著手持設(shè)備業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，對(duì)電池充電器的要求也不斷增加。要為完成這項(xiàng)工作而選擇正確的集成電路 （IC），我們必須權(quán)衡幾個(gè)因素。在開(kāi)始設(shè)計(jì)以前，我們必須考慮諸如解決方案尺寸、USB標(biāo)準(zhǔn)、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(yīng)的充電器IC。本文中，我們將介紹不同的充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并研究電池充電器IC的一些特性。此外，我們還將探討一個(gè)應(yīng)用和現(xiàn)有的解決方案。

　　鋰離子電池充電周期

　　鋰離子電池要求專門(mén)的充電周期，以實(shí)現(xiàn)安全充電并最大化電池使用時(shí)間。電池充電分兩個(gè)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(shí)，電流經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓進(jìn)入電池。在CC模式下，電流經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓達(dá)到兩個(gè)值之一。如果電池電壓非常低，則充電電流降低至預(yù)充電電平，以適應(yīng)電池并防止電池?fù)p壞。該閾值因電池化學(xué)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(yù)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(shí)內(nèi)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(shí)間。對(duì)電池充電時(shí)，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(shí)對(duì)電池電壓進(jìn)行穩(wěn)壓以防止過(guò)充電。在這種模式下，電池充電時(shí)電流逐漸減少，同時(shí)電池阻抗降低。如果電流降至預(yù)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(duì)電池浮充電，因?yàn)檫@樣會(huì)縮短電池使用壽命。圖1 以圖形方式說(shuō)明了典型的充電周期。

　　圖1典型鋰離子充電周期

　　線性解決方案與開(kāi)關(guān)模式解決方案對(duì)比

　　將適配器電壓轉(zhuǎn)降為電池電壓并控制不同充電階段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種：線性穩(wěn)壓器和電感開(kāi)關(guān)。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在體積、效率、解決方案成本和電磁干擾 （EMI） 輻射方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。我們下面介紹這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的各種優(yōu)點(diǎn)和一些折中方法。

　　一般來(lái)說(shuō)，電感開(kāi)關(guān)是獲得最高效率的最佳選擇。利用電阻器等檢測(cè)組件，在輸出端檢測(cè)充電電流。充電器在CC 模式下時(shí)，電流反饋電路控制占空比。電池電壓檢測(cè)反饋電路控制CV 模式下的占空比。根據(jù)特性集的不同，可能會(huì)出現(xiàn)其他一些控制環(huán)路。我們將在后面詳細(xì)討論這些環(huán)路。電感開(kāi)關(guān)電路要求開(kāi)關(guān)組件、整流器、電感和輸入及輸出電容器。就許多應(yīng)用而言，通過(guò)選擇一種將開(kāi)關(guān)組件和整流器都嵌入到IC 中的器件，可以縮小解決方案的尺寸。根據(jù)不同的負(fù)載，這些電路的典型效率為80% 到96%。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器因其電感尺寸一般會(huì)要求更多的空間，同時(shí)也更加昂貴。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器還會(huì)引起電感EMI 輻射，以及開(kāi)關(guān)帶來(lái)的輸出端噪聲。

　　線性充電器通過(guò)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案只要求三個(gè)組件：旁路組件和輸入/輸出電容。相比電感開(kāi)關(guān)，線性壓降穩(wěn)壓器 （LDO） 通常為一款低成本的解決方案，且噪聲更低。通過(guò)穩(wěn)壓旁路組件的電阻來(lái)限制進(jìn)入電池的電流，從而對(duì)充電電流進(jìn)行控制。電流反饋一般來(lái)自充電器IC 的輸入。對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，以提供CV 反饋。改變旁路組件的電阻，來(lái)維持進(jìn)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(fù)載電流。這就是說(shuō)解決方案的效率等于輸出電壓與輸入電壓的比。LDO 解決方案的缺點(diǎn)是高輸入輸出電壓比時(shí)（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(yīng)用的理想選擇。這些高功耗應(yīng)用要求散熱，從而增加了解決方案的尺寸。

　　功耗及溫升計(jì)算

　　其中，η為充電器的效率，而POUT = VOUT × IOUT。利用熱阻，可以計(jì)算得到功耗帶來(lái)的溫升。每種應(yīng)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(yīng)該針對(duì)終端應(yīng)用電路板對(duì)熱阻建模。請(qǐng)記住，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中定義的ΘJA 并非這種應(yīng)用中熱阻的恰當(dāng)表示方法。