鋰電池充電IC的選擇方案推薦
2020/4/2 22:54:23 點(diǎn)擊：
隨著手持設(shè)備業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，對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)過穩(wěn)壓進(jìn)入電池。在CC模式下，電流經(jīng)過穩(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)對電池電壓進(jìn)行穩(wěn)壓以防止過充電。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 以圖形方式說明了典型的充電周期。
線性解決方案與開關(guān)模式解決方案對比
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)。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。
一般來說，電感開關(guān)是獲得最高效率的最佳選擇。利用電阻器等檢測組件，在輸出端檢測充電電流。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% 到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)帶來的輸出端噪聲。
線性充電器通過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。通過穩(wěn)壓旁路組件的電阻來限制進(jìn)入電池的電流，從而對充電電流進(jìn)行控制。電流反饋一般來自充電器IC 的輸入。對電池電壓進(jìn)行檢測，以提供CV 反饋。改變旁路組件的電阻，來維持進(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)該針對終端應(yīng)用電路板對熱阻建模。請記住，產(chǎn)品說明書中定義的ΘJA 并非這種應(yīng)用中熱阻的恰當(dāng)表示方法。
應(yīng)該使用什么樣的拓?fù)洌?/strong>
您需要研究的第一個(gè)參數(shù)是充電電流。對于一些小型應(yīng)用來說，例如：充電電流介于25Ma 到150mA 之間的藍(lán)牙TM耳機(jī)等，最佳解決方案幾乎都是線性充電器。這些應(yīng)用一般都具有非常小的體積，無法為開關(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，功耗帶來的溫升可以忽略不計(jì)。對于手機(jī)應(yīng)用來說，充電電流一般在350-700mA 范圍以內(nèi)。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1.5A，這時(shí)使用開關(guān)解決方案則更加合理。1.5A 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5V 適配器對一塊3.6V 電池充電時(shí)，效率為72%。首先，這個(gè)效率聽起來似乎不太壞。如果您從功耗的角度來看它，這種應(yīng)用要消耗約2W。在一個(gè)熱阻 (ΘJA) 為40°C/W 的應(yīng)用中，芯片溫度上升80°C。在40°C 環(huán)境溫度下，電路板溫度會(huì)上升至120°C，其對手持設(shè)備來說是不可接受的。在極低電池電壓(即3 V)下，這一問題甚至?xí)兊脴O端嚴(yán)重。相同3V 條件下，溫度升至120°C。讓我們來看相同條件下的開關(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3.6V 電池時(shí)，功耗低于1W，從而帶來40°C 的溫升。3V 時(shí)這種改善更加明顯。假設(shè)3V 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°C)。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。
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)。電池位于完全充滿電壓以下時(shí)，電流經(jīng)過穩(wěn)壓進(jìn)入電池。在CC模式下，電流經(jīng)過穩(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)對電池電壓進(jìn)行穩(wěn)壓以防止過充電。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 以圖形方式說明了典型的充電周期。
線性解決方案與開關(guān)模式解決方案對比
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)。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。
一般來說，電感開關(guān)是獲得最高效率的最佳選擇。利用電阻器等檢測組件，在輸出端檢測充電電流。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% 到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)帶來的輸出端噪聲。
線性充電器通過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。通過穩(wěn)壓旁路組件的電阻來限制進(jìn)入電池的電流，從而對充電電流進(jìn)行控制。電流反饋一般來自充電器IC 的輸入。對電池電壓進(jìn)行檢測，以提供CV 反饋。改變旁路組件的電阻，來維持進(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)該針對終端應(yīng)用電路板對熱阻建模。請記住，產(chǎn)品說明書中定義的ΘJA 并非這種應(yīng)用中熱阻的恰當(dāng)表示方法。
應(yīng)該使用什么樣的拓?fù)洌?/strong>
您需要研究的第一個(gè)參數(shù)是充電電流。對于一些小型應(yīng)用來說，例如：充電電流介于25Ma 到150mA 之間的藍(lán)牙TM耳機(jī)等，最佳解決方案幾乎都是線性充電器。這些應(yīng)用一般都具有非常小的體積，無法為開關(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，功耗帶來的溫升可以忽略不計(jì)。對于手機(jī)應(yīng)用來說，充電電流一般在350-700mA 范圍以內(nèi)。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1.5A，這時(shí)使用開關(guān)解決方案則更加合理。1.5A 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5V 適配器對一塊3.6V 電池充電時(shí)，效率為72%。首先，這個(gè)效率聽起來似乎不太壞。如果您從功耗的角度來看它，這種應(yīng)用要消耗約2W。在一個(gè)熱阻 (ΘJA) 為40°C/W 的應(yīng)用中，芯片溫度上升80°C。在40°C 環(huán)境溫度下，電路板溫度會(huì)上升至120°C，其對手持設(shè)備來說是不可接受的。在極低電池電壓(即3 V)下，這一問題甚至?xí)兊脴O端嚴(yán)重。相同3V 條件下，溫度升至120°C。讓我們來看相同條件下的開關(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3.6V 電池時(shí)，功耗低于1W，從而帶來40°C 的溫升。3V 時(shí)這種改善更加明顯。假設(shè)3V 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°C)。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。
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