摘  要： 單體鋰離子(Li-Ion)電池充電器的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須權(quán)衡多方面因素：解決方案尺寸,、USB標(biāo)準(zhǔn),、充電速率和成本等,。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,，還將探討一個(gè)現(xiàn)有的應(yīng)用解決方案,。
關(guān)鍵詞： 鋰離子電池,；充電周期,；USB

　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,。為完成這項(xiàng)工作而選擇正確的集成電路 (IC)必須權(quán)衡幾個(gè)因素。在開始設(shè)計(jì)以前,，需考慮解決方案尺寸,、USB標(biāo)準(zhǔn)、充電速率和成本等因素,，并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，還將探討一個(gè)現(xiàn)有的應(yīng)用解決方案,。
鋰離子電池充電周期
    鋰離子電池要求專門的充電周期,，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)。電池滿電之前,，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 h內(nèi)耗盡電池所需的電流)，該電流取決于電池制造廠商,。典型充電電流約為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 4.2 V)，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,。當(dāng)電流降至預(yù)定電平(一般為快速充電電流的10%)時(shí)終止充電。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所示為典型的鋰離子電池充電周期。

線性解決方案與開關(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),。
    一般來(lái)說(shuō),，電感開關(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,。電感開關(guān)電路要求開關(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%～96%,。開關(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。開關(guān)轉(zhuǎn)換器還會(huì)引起電感 EMI 輻射以及開關(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來(lái)降低DC電壓,。優(yōu)點(diǎn)是解決方案只需要3個(gè)組件：旁路組件和輸入、輸出電容,。相比電感開關(guān),，線性壓降穩(wěn)壓器(LDO)通常為一款低成本、低噪聲的解決方案,。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掉，因此對(duì)于輸入輸出差較大的高充電電流應(yīng)用來(lái)說(shuō),，LDO并非理想的選擇,。這些高功耗應(yīng)用散熱要求高，從而增加了解決方案的尺寸,。
    功耗及溫升計(jì)算公式如下：
    
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,，取決于電路板布局,、氣流和封裝等具體參數(shù)。因此應(yīng)該針對(duì)終端應(yīng)用電路板對(duì)熱阻建模。

拓?fù)溥x擇
    對(duì)于一些小型應(yīng)用來(lái)說(shuō),，需要研究的第一個(gè)參數(shù)是充電電流,。例如，充電電流介于 25 mA～150 mA之間的藍(lán)牙耳機(jī)最佳解決方案是線性充電器,。這些應(yīng)用一般都具有非常小的體積,，無(wú)法為開關(guān)的更多組件提供額外空間。另外,，由于其非常低的功耗要求,，功耗帶來(lái)的溫升可以忽略不計(jì)。
    對(duì)于手機(jī)應(yīng)用來(lái)說(shuō),，充電電流一般在 350 mA～700 mA,。在這種范圍中，很多時(shí)候線性解決方案仍然非常有效,。由于它們通常都為低成本手機(jī),，其成本壓力更大，因此線性充電器便成為一種理想的解決方案,。智能手機(jī)應(yīng)用的電池體積較大,，且充電電流需求大于1.5 A，這時(shí)使用開關(guān)解決方案則更加合理,。1.5 A電流條件下溫升會(huì)非常大,。
    例如，使用一個(gè)線性充電器通過(guò)5 V適配器對(duì)一塊3.6 V電池充電時(shí),，效率為72%,。首先，這個(gè)效率聽起來(lái)似乎不太壞,。如果從功耗的角度來(lái)分析,，這種應(yīng)用消耗的功率約2 W。在一個(gè)熱阻為 40 ℃/W的應(yīng)用中,，芯片溫度上升80 ℃,。在 40 ℃環(huán)境溫度下，電路板溫度會(huì)上升至 120 ℃,，這對(duì)手持設(shè)備來(lái)說(shuō)是不可接受的,。在極低電池電壓（即 3 V）下，這一問(wèn)題甚至?xí)兊脴O端嚴(yán)重,，溫度將升至120 ℃,。
    反觀相同條件下的開關(guān)解決方案，使用一個(gè)單體電池IC充電器時(shí),，效率上升至約85%,。使用一塊3.6 V電池時(shí),，功耗低于1 W，從而帶來(lái)40 ℃的溫升,。3 V時(shí)這種改善更加明顯,。假設(shè)3 V輸出時(shí)的效率為80 %，則功耗低于800 mW,，因此溫升會(huì)更低（約32 ℃）,。這些智能手機(jī)的體積一般可以容許稍大一點(diǎn)的解決方案，并且能夠承受開關(guān)模式解決方案相關(guān)的稍許成本增加,。
為任務(wù)選擇正確的IC
    在完成初步熱分析并且選好充電器拓?fù)湟院?，便可以選擇應(yīng)用最佳的IC。新型的電池充電器解決方案集成了許多特性,，可以利用它們改善系統(tǒng)的性能,。諸如輸入過(guò)壓保護(hù)、電源路徑管理(PPM),、VIN_DPM,、散熱穩(wěn)壓、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)監(jiān)測(cè)和USB充電等特性,，都被集成到許多電池充電器IC中,。大多數(shù)單體電池充電器解決方案都已將要求FET集成到了器件中，旨在節(jié)省電路板面積,。
輸入過(guò)壓保護(hù)（單輸入與雙輸入對(duì)比）
    在當(dāng)今的市場(chǎng)上,，USB電源已經(jīng)成為最為常見的電源，因此通過(guò)USB電源充電已經(jīng)成為一種必然性,。市場(chǎng)已經(jīng)從使用專門AC適配器和單獨(dú)USB接口的初始雙輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒁粋€(gè)USB接口既作為墻上電源適合器接口使用,，也作為使用相同線纜的USB數(shù)據(jù)輸入接口的單輸入解決方案。這樣便導(dǎo)致一種從雙輸入解決方案向單輸入解決方案的轉(zhuǎn)移,。單輸入在接口方面存在許多挑戰(zhàn)。由于市場(chǎng)上存在如此多的適配器解決方案和一種通用接口,，輸入端必須能夠在無(wú)損壞的情況下承受更高的電壓,。由于電池充電器始終連接到輸入端，因此充電器對(duì)所有下游電路實(shí)施過(guò)電壓狀態(tài)保護(hù)是有道理的,。為了實(shí)現(xiàn)這一功能,，市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多能夠承受20 V，甚至30 V電壓的解決方案,。另外,，這些器件都具有過(guò)電壓保護(hù)(OVP)電路，其在輸入超出OVP閾值時(shí)阻止器件運(yùn)行,。這樣便進(jìn)一步保護(hù)了下游電路,，使其免受潛在的瞬態(tài)過(guò)電壓狀態(tài)損壞,。
    目前，隨著綠色輸入（即太陽(yáng)能電池）或無(wú)線充電的出現(xiàn),，應(yīng)用又再一次向雙輸入要求轉(zhuǎn)移,。根據(jù)具體的應(yīng)用要求，兩種配置結(jié)構(gòu)都可以使用,。
電源路徑管理/最小系統(tǒng)電壓
    電池充電器的一般方法是將系統(tǒng)直接連接到電池,，讓充電器同時(shí)為電池和系統(tǒng)供電，然后對(duì)系統(tǒng)的總電流進(jìn)行穩(wěn)壓,。這樣做存在幾個(gè)問(wèn)題,，特別是低電池電量啟動(dòng)、終止干擾和早期計(jì)時(shí)器超時(shí)等問(wèn)題,。電源路徑管理通過(guò)對(duì)電池電流和系統(tǒng)電流進(jìn)行分別監(jiān)測(cè),，消除了這些問(wèn)題。
最低系統(tǒng)電壓
    使用傳統(tǒng)方法時(shí),，系統(tǒng)電壓始終與電池相同,。因此，電池深度放電時(shí),，在電池充電到某個(gè)可用電平以前系統(tǒng)都不會(huì)啟動(dòng),。利用PPM可對(duì)系統(tǒng)電壓?jiǎn)为?dú)穩(wěn)壓，將其與電池電壓區(qū)分開來(lái),。這就意味著可以實(shí)現(xiàn)最低系統(tǒng)電壓,，且與電池電壓無(wú)關(guān)。對(duì)用戶而言,，這就意味著連接適配器的同時(shí)即可使用設(shè)備,，假設(shè)條件是其具有足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
更短的充電時(shí)間
    由于系統(tǒng)電流和充電電流是單獨(dú)編程的,，因此可以使用適配器的滿功率,，其與電池的容量和充電電流的大小均無(wú)關(guān)。傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,，充電器的輸出電流必須設(shè)定為最大充電電流,，以應(yīng)對(duì)無(wú)負(fù)載的情況。當(dāng)系統(tǒng)中有負(fù)載時(shí),，由于系統(tǒng)吸收可用電流,，有效充電電流降低。例如,，一個(gè)使用900 mA適配器和500 mA鎳氫電池的系統(tǒng),，使用傳統(tǒng)方法可以編程500 mA的充電電流。如果系統(tǒng)負(fù)載為200 mA,，有效充電電流僅為300 mA,，充電時(shí)間幾乎延長(zhǎng)一倍,。如果使用PPM來(lái)研究這一相同案例，輸入電流限制設(shè)定為900 mA,。這樣便允許全部 500 mA充電電流,，且擁有高達(dá)400 mA的額外系統(tǒng)電流。
終止和早期計(jì)時(shí)器超時(shí)
    在對(duì)總電流進(jìn)行穩(wěn)壓的傳統(tǒng)系統(tǒng)中,，電流在電池和負(fù)載之間共用,。如果系統(tǒng)負(fù)載足夠大到從電池拉取充電電流，且在計(jì)時(shí)器超時(shí)以前電池不充電,，則計(jì)時(shí)器會(huì)出現(xiàn)偽超時(shí),。另外，如果系統(tǒng)電流絕對(duì)不會(huì)降至設(shè)定終止電流以下,，則永遠(yuǎn)不會(huì)終止,。電源路徑管理通過(guò)單獨(dú)監(jiān)測(cè)充電電流，并動(dòng)態(tài)地使用可穩(wěn)壓計(jì)時(shí)器(通過(guò)減少充電電流進(jìn)行穩(wěn)壓),，防止這些條件出現(xiàn),。就終止問(wèn)題而言，單獨(dú)對(duì)充電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)可讓終止條件測(cè)定變得容易,。
基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理(VIN-DPM)
    為了防止出現(xiàn)輸入源超負(fù)載的欠壓狀態(tài),，一些器件實(shí)施了基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理(VIN-DPM)。這種環(huán)路降低輸入電流限制來(lái)防止輸入崩潰,。VIN-DPM環(huán)路對(duì)輸入電壓進(jìn)行有效的穩(wěn)壓,，實(shí)現(xiàn)最大化電源的電流。圖2顯示了在無(wú)VIN-DPM保護(hù)的情況下USB端口的超負(fù)載結(jié)果,。需注意的是,，輸入電壓降至電源狀態(tài)良好閾值以下時(shí)，充電器關(guān)閉,。這樣便關(guān)閉了電源負(fù)載,，并允許輸入電壓恢復(fù)，從而開啟充電器,。這種開/關(guān)脈沖的發(fā)生是設(shè)計(jì)中需要極力避免的,。

    VIN-DPM通過(guò)限制輸入電流阻止脈沖發(fā)生，從而防止輸入源崩潰,。圖3顯示了超負(fù)載USB端口的結(jié)果。VIN-DPM功能開始生效,，降低輸入電流限制,，從而防止輸入源崩潰。

NTC監(jiān)測(cè)（包括JEITA）
    通過(guò)充電期間的監(jiān)測(cè)防止電池組損壞甚至爆炸,，此時(shí)電池溫度極為關(guān)鍵,。一般通過(guò)對(duì)集成到電池組中或者靠近系統(tǒng)板上電池組安裝的NTC熱敏電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)完成這項(xiàng)工作,。許多充電器都具有集成到IC中的NTC監(jiān)測(cè)功能。如果電池溫度處在非安全溫度下,，則這些IC便對(duì)溫度和禁用充電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè),。
    一種新興的電池充電標(biāo)準(zhǔn)是日本電池溫度標(biāo)準(zhǔn) (JEITA)，這種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一些需降低充電電壓或者電流以提供更安全運(yùn)行的中間溫度,。該JEITA標(biāo)準(zhǔn)在許多充電器IC中也很容易實(shí)施,，例如，單輸入單體鋰離子電池充電器集成了一種無(wú)需主機(jī)關(guān)聯(lián)的獨(dú)立解決方案,。對(duì)于NTC受主機(jī)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，許多IC都提供了非常簡(jiǎn)單的實(shí)施。I2C接口允許用戶動(dòng)態(tài)地改變充電電壓和充電電流,，使用具有這種接口的充電器時(shí),，主機(jī)根據(jù)電池溫度來(lái)修改充電參數(shù)。這種方法在沒(méi)有硬件改動(dòng)的情況下,，在為不同平臺(tái)和電池設(shè)置要求的溫度閾值方面擁有一定的靈活性,。
USB充電標(biāo)準(zhǔn)
    USB充電時(shí)，可以使用許多充電器IC,，它們都結(jié)合了USB100和USB500電流限制,。通過(guò)USB充電器輸出運(yùn)行所有下游電路，讓廣大設(shè)計(jì)人員能夠確保不超出USB電流限制,。
額外功率輸出
    隨著USB充電的流行,，許多應(yīng)用都要求一個(gè)USB PHY或者USB收發(fā)器與主機(jī)通信。因此,，這些器件通常直接連接到VBUS電源,，從而要求過(guò)電壓保護(hù)。因此,，許多充電器IC都集成了一個(gè)連接電源并通過(guò)電源供電的5 V LDO,。每當(dāng)連接一個(gè)有效電源時(shí)，這種輸出便有效,。5 V LDO穩(wěn)壓電壓保護(hù)USB電路免受未穩(wěn)壓適配器和其他過(guò)電壓狀態(tài)的損害,。
    設(shè)計(jì)單體鋰離子電池充電時(shí)必須對(duì)諸如充電電流、可用空間,、USB標(biāo)準(zhǔn),、成本和特性集等要求進(jìn)行研究，以選擇最佳的解決方案,。首先按照重要程度把這些要求排列出來(lái),，然后選擇最適合這些要求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)一定要考慮散熱因素,，最后為每種輸出選擇最具成本效益的解決方案,。