如何最大限度地降低Li+線性充電器的功耗

介紹了將線性電池充電器的功耗降至最低的技術(shù)。從穩(wěn)定的壁立方體開關(guān)電源開始，描述了限制線性充電電路耗散的方法。提供了電路，顯示了計算，討論了PMOS調(diào)整管的散熱，并提出了合適的調(diào)整管。

介紹

單節(jié)Li+線性充電器的數(shù)據(jù)手冊很少討論功耗或如何處理散熱。高輸入電壓和充電電流會增加調(diào)整元件必須處理的功率。本應(yīng)用筆記討論了如何在保持安全器件和系統(tǒng)溫度限制的同時最大化充電電流。

使用正確的直流輸入電源

低電壓輸入可降低功耗。為了給單節(jié)Li+電池充電，我們需要一個穩(wěn)壓良好的4.2V±1%或4.1V±1%（取決于電池化學(xué)成分）輸出。輸入電壓需要更高，以覆蓋電池正極端子和輸入直流電源之間的壓降。圖1顯示了典型充電器的這些內(nèi)容。

圖1.壓降貢獻。

Vin = Vsense + Vpmos + Vtrace + Vdiode + 4.2V

最小輸入可以描述如下。

Vin（min） = Rsense × Icharge + Rds（on） × Icharge + Rtrace × Icharge + （Vthmax（d） + Rd × Icharge） + 4.2V

其中 Vdiode = Vthmax（d） + Rd × Icharge， Vthmax（d）;二極管導(dǎo)通閾值電壓，Rd;二極管串聯(lián)電阻

正如我們在上式中看到的，如果充電電流（Icharge）增加，充電器需要更高的輸入電壓。以下是充電電流為4mA時示例電路（圖500）的實際數(shù)據(jù)。

輸入電壓 = 0.303V（Vdiode） + 0.060V（Vsense） + 0.112V（Vpmos） + 0.000V（Vtrace） + 4.2V

輸入電壓 = 4.68V

肖特基二極管：Zetex ZHCS1000，

PMOS 場效應(yīng)管： Fairchild FDC636P,

Rsense = 105mΩ，

回溯：寬 40 密耳，長 0.5 英寸，銅跡線 1 盎司。此值取決于 PCB 布局和電池觸點。

由于這些數(shù)據(jù)取自一個原型，我們還應(yīng)該考慮每個參數(shù)的公差。一個 5V±5% 穩(wěn)壓良好的開關(guān)模式 AC 適配器將提供一些裕量，以考慮容差。AC適配器不需要精確的電流限制，因為充電器具有電流控制，但AC適配器的最大電流能力必須比線性充電器的快速充電電流高200-300mA。圖2所示為使用MAX5021低功耗、電流模式PWM控制器的交流適配器示例。

圖2.5V/1A 交流適配器。

優(yōu)化充電電流和功耗

圖3所示為用于測試的電路。它是一款線性充電器，充電電流為 500mA，定時器限制為 6 小時。

圖3.MAX1898單節(jié)Li+線性充電器。

線性充電器的總功耗表示如下。

Pdiss = （Vin - Vbatt） × Icharge

為了確定快速充電電流，我們需要計算P-MOSFET Q1上允許的最壞情況功耗。

Q1的功耗表示如下：

Pdiss（Q1） = Vds（Q1） × Icharge

Vds（Q1） = 5V - VD1 - 充電 × RCS - Vbatt

其中VD1：D1正向壓降，Rcs：內(nèi)部電流檢測電阻。

此外，在任何工作條件下，P-MOSFET 的結(jié)溫都不應(yīng)超過其最大限值 = 150°C。

Tj = Ta + RΘJA × Pdiss（Q1）

表1顯示了可用于充電器的一些可能的P-MOSFET產(chǎn)品。盡管規(guī)格顯示最大功率耗散相當高，但我們應(yīng)該謹慎對待PCB安裝條件。在許多 MOSFET 器件上，為封裝額定值指定的“FR-1 板上 2 in_ 4oz Cu 焊盤”對于許多應(yīng)用來說可能并不現(xiàn)實。相反，以下設(shè)計過程會產(chǎn)生更實際的結(jié)果。

首先，我們應(yīng)該找出在系統(tǒng)設(shè)計限制下可以獲得的最佳RΘJA。RΘJA是結(jié)到外殼（RΘJC）和外殼到環(huán)境熱阻（RΘCA）的總和，其中外殼熱參考定義為漏極引腳的焊接安裝表面。RΘJC 由設(shè)計保證，而 RΘCA 由用戶的電路板設(shè)計、散熱器方法和冷卻系統(tǒng)決定。我們應(yīng)該盡可能降低RΘCA。但是， 會有一些限制，例如有限的電路板空間， 沒有通風(fēng)， 和對PCB材料的安全要求.由于我們不能直接測量 Tj，我們可以使用 Tc 來計算 RΘCA。

Tc = Ta + RΘCA × Pdiss（Q1）

RΘCA = （Tc - Ta）/ Pdiss（Q1）

為了設(shè)計用于表面貼裝PMOS FET的高效散熱器，我們應(yīng)該盡可能增加漏極引腳板面積。然后我們可以測量Vd-s（Q1），Icharge和Tc來計算RΘCA。如果測得的RΘCA低于我們的預(yù)期，我們應(yīng)該增加漏極引腳焊盤的表面積或減小充電電流。也， 我們應(yīng)該記住，Tc 不得超過 130°C 或 150°C PCB 最高工作溫度， 取決于 PCB 材料.在開始之前，我們應(yīng)該檢查我們使用的 PCB 材料的 UL 文件編號及其最高工作溫度.假設(shè)我們使用的 FR-4 雙層板額定溫度最高為 130°C。

如果測得的外殼溫度Tc在Ta = 125°C和Pdiss（Q50） = 1mW時為800°C，

125°C = 50°C + RΘCAx800mW

RΘCA = （125°C - 50°C）/0.8W

= 93.75°C/W

如果 RΘCA = 93.75°C/W，RΘCJ = 30°C/W （TSOP-6），Ta（max）= 50°C，Tj（max） = 150°C，我們可以達到的最大功率耗散;

150°C = 50°C + 123.75°C/W × Pdiss（Q1）

最大功耗 （Q1） = 808mW

如果初始Vbatt = 3.0V，Rcs = 105mΩ，VD1 = 0.35V，Icharge = 500mA，則最壞情況Vds（Q1）最大值為;

Vds（Q1）最大值 = 5V - VD1 - 充電 × RCS - Vbatt = 1.40V

允許的最大充電電流為：

Icharge（max） = Poiseses（Q1）max/Vds（Q1）max

= 808mW/1.60V

= 505毫安

當然，隨著電池電壓的升高，功耗會逐漸下降。

結(jié)論

我們可以通過適當?shù)纳岱椒▋?yōu)化直流輸入源、充電電流和功耗，為單節(jié)Li+電池提供安全可靠的線性充電器。圖4所示為MAX1898充電器、4.2V、900mA Li+電池和5V/1A MAX5021交流穩(wěn)壓適配器的實際測試結(jié)果。