鋰電池充電IC的選擇方案推薦
2020/4/2 22:54:23 點擊：
隨著手持設備業務的不斷發展，對電池充電器的要求也不斷增加。要為完成這項工作而選擇正確的集成電路 (IC)，我們必須權衡幾個因素。在開始設計以前，我們必須考慮諸如解決方案尺寸、USB標準、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，然后選擇相應的充電器IC。本文中，我們將介紹不同的充電拓撲結構，并研究電池充電器IC的一些特性。此外，我們還將探討一個應用和現有的解決方案。
鋰離子電池充電周期
鋰離子電池要求專門的充電周期，以實現安全充電并最大化電池使用時間。電池充電分兩個階段：恒定電流 (CC) 和恒定電壓 (CV)。電池位于完全充滿電壓以下時，電流經過穩壓進入電池。在CC模式下，電流經過穩壓達到兩個值之一。如果電池電壓非常低，則充電電流降低至預充電電平，以適應電池并防止電池損壞。該閾值因電池化學屬性而不同，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 小時內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間。對電池充電時，電壓上升。一旦電池電壓升至穩壓電壓(一般為4.2V)，充電電流逐漸減少，同時對電池電壓進行穩壓以防止過充電。在這種模式下，電池充電時電流逐漸減少，同時電池阻抗降低。如果電流降至預定電平(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，因為這樣會縮短電池使用壽命。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模式解決方案對比
將適配器電壓轉降為電池電壓并控制不同充電階段的拓撲結構有兩種：線性穩壓器和電感開關。這兩種拓撲結構在體積、效率、解決方案成本和電磁干擾 (EMI) 輻射方面各有優缺點。我們下面介紹這兩種拓撲結構的各種優點和一些折中方法。
一般來說，電感開關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，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。根據特性集的不同，可能會出現其他一些控制環路。我們將在后面詳細討論這些環路。電感開關電路要求開關組件、整流器、電感和輸入及輸出電容器。就許多應用而言，通過選擇一種將開關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。根據不同的負載，這些電路的典型效率為80% 到96%。開關轉換器因其電感尺寸一般會要求更多的空間，同時也更加昂貴。開關轉換器還會引起電感EMI 輻射，以及開關帶來的輸出端噪聲。
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組件：旁路組件和輸入/輸出電容。相比電感開關，線性壓降穩壓器 (LDO) 通常為一款低成本的解決方案，且噪聲更低。通過穩壓旁路組件的電阻來限制進入電池的電流，從而對充電電流進行控制。電流反饋一般來自充電器IC 的輸入。對電池電壓進行檢測，以提供CV 反饋。改變旁路組件的電阻，來維持進入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 解決方案的缺點是高輸入輸出電壓比時(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用的理想選擇。這些高功耗應用要求散熱，從而增加了解決方案的尺寸。
功耗及溫升計算
其中，η為充電器的效率，而POUT = VOUT × IOUT。利用熱阻，可以計算得到功耗帶來的溫升。每種應用的熱阻都不同，其取決于電路板布局、氣流和封裝等具體參數。我們應該針對終端應用電路板對熱阻建模。請記住，產品說明書中定義的ΘJA 并非這種應用中熱阻的恰當表示方法。
應該使用什么樣的拓撲？
您需要研究的第一個參數是充電電流。對于一些小型應用來說，例如：充電電流介于25Ma 到150mA 之間的藍牙TM耳機等，最佳解決方案幾乎都是線性充電器。這些應用一般都具有非常小的體積，無法為開關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。對于手機應用來說，充電電流一般在350-700mA 范圍以內。在這種范圍中，很多時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，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。智能手機應用的電池體積較大，且充電電流需求大于1.5A，這時使用開關解決方案則更加合理。1.5A 電流條件下，溫升會非常大。例如，使用一個線性充電器通過5V 適配器對一塊3.6V 電池充電時，效率為72%。首先，這個效率聽起來似乎不太壞。如果您從功耗的角度來看它，這種應用要消耗約2W。在一個熱阻 (ΘJA) 為40°C/W 的應用中，芯片溫度上升80°C。在40°C 環境溫度下，電路板溫度會上升至120°C，其對手持設備來說是不可接受的。在極低電池電壓(即3 V)下，這一問題甚至會變得極端嚴重。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解決方案，使用一個單體電池IC 充電器時，效率上升至約85%。使用一塊3.6V 電池時，功耗低于1W，從而帶來40°C 的溫升。3V 時這種改善更加明顯。假設3V 輸出時的效率為80%，則功耗低于800 mW，因此溫升會更低(約32°C)。這些智能手機的體積一般可以容許稍大一點的解決方案，并且能夠承受開關模式解決方案相關的稍許成本增加。
鋰離子電池充電周期
鋰離子電池要求專門的充電周期，以實現安全充電并最大化電池使用時間。電池充電分兩個階段：恒定電流 (CC) 和恒定電壓 (CV)。電池位于完全充滿電壓以下時，電流經過穩壓進入電池。在CC模式下，電流經過穩壓達到兩個值之一。如果電池電壓非常低，則充電電流降低至預充電電平，以適應電池并防止電池損壞。該閾值因電池化學屬性而不同，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 小時內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間。對電池充電時，電壓上升。一旦電池電壓升至穩壓電壓(一般為4.2V)，充電電流逐漸減少，同時對電池電壓進行穩壓以防止過充電。在這種模式下，電池充電時電流逐漸減少，同時電池阻抗降低。如果電流降至預定電平(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，因為這樣會縮短電池使用壽命。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模式解決方案對比
將適配器電壓轉降為電池電壓并控制不同充電階段的拓撲結構有兩種：線性穩壓器和電感開關。這兩種拓撲結構在體積、效率、解決方案成本和電磁干擾 (EMI) 輻射方面各有優缺點。我們下面介紹這兩種拓撲結構的各種優點和一些折中方法。
一般來說，電感開關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，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。根據特性集的不同，可能會出現其他一些控制環路。我們將在后面詳細討論這些環路。電感開關電路要求開關組件、整流器、電感和輸入及輸出電容器。就許多應用而言，通過選擇一種將開關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。根據不同的負載，這些電路的典型效率為80% 到96%。開關轉換器因其電感尺寸一般會要求更多的空間，同時也更加昂貴。開關轉換器還會引起電感EMI 輻射，以及開關帶來的輸出端噪聲。
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組件：旁路組件和輸入/輸出電容。相比電感開關，線性壓降穩壓器 (LDO) 通常為一款低成本的解決方案，且噪聲更低。通過穩壓旁路組件的電阻來限制進入電池的電流，從而對充電電流進行控制。電流反饋一般來自充電器IC 的輸入。對電池電壓進行檢測，以提供CV 反饋。改變旁路組件的電阻，來維持進入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 解決方案的缺點是高輸入輸出電壓比時(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用的理想選擇。這些高功耗應用要求散熱，從而增加了解決方案的尺寸。
功耗及溫升計算
其中，η為充電器的效率，而POUT = VOUT × IOUT。利用熱阻，可以計算得到功耗帶來的溫升。每種應用的熱阻都不同，其取決于電路板布局、氣流和封裝等具體參數。我們應該針對終端應用電路板對熱阻建模。請記住，產品說明書中定義的ΘJA 并非這種應用中熱阻的恰當表示方法。
應該使用什么樣的拓撲？
您需要研究的第一個參數是充電電流。對于一些小型應用來說，例如：充電電流介于25Ma 到150mA 之間的藍牙TM耳機等，最佳解決方案幾乎都是線性充電器。這些應用一般都具有非常小的體積，無法為開關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。對于手機應用來說，充電電流一般在350-700mA 范圍以內。在這種范圍中，很多時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，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。智能手機應用的電池體積較大，且充電電流需求大于1.5A，這時使用開關解決方案則更加合理。1.5A 電流條件下，溫升會非常大。例如，使用一個線性充電器通過5V 適配器對一塊3.6V 電池充電時，效率為72%。首先，這個效率聽起來似乎不太壞。如果您從功耗的角度來看它，這種應用要消耗約2W。在一個熱阻 (ΘJA) 為40°C/W 的應用中，芯片溫度上升80°C。在40°C 環境溫度下，電路板溫度會上升至120°C，其對手持設備來說是不可接受的。在極低電池電壓(即3 V)下，這一問題甚至會變得極端嚴重。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解決方案，使用一個單體電池IC 充電器時，效率上升至約85%。使用一塊3.6V 電池時，功耗低于1W，從而帶來40°C 的溫升。3V 時這種改善更加明顯。假設3V 輸出時的效率為80%，則功耗低于800 mW，因此溫升會更低(約32°C)。這些智能手機的體積一般可以容許稍大一點的解決方案，并且能夠承受開關模式解決方案相關的稍許成本增加。
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