單節鋰離子 （Li-Ion）電池充電器的選項有很多種。隨著(zhù)手持設備業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，對電池充電器的要求也不斷增加。要為完成這項工作而選擇正確的集成電路（IC），我們必須權衡幾個(gè)因素。在開(kāi)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(gè)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(zhuān)門(mén)的充電周期，以實(shí)現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(mǎn)電壓以下時(shí)，電流經(jīng)過(guò)穩壓進(jìn)入電池。在CC模式下，電流經(jīng)過(guò)穩壓達到兩個(gè)值之一。如果電池電壓非常低，則充電電流降低至預充電電平，以適應電池并防止電池損壞。該閾值因電池化學(xué)屬性而不同，一般取決于電池制造廠(chǎng)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(shí)內耗盡電池所需的電流），但該電流也取決地電池制造廠(chǎng)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(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(xiàn)性解決方案與開(kāi)關(guān)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(xiàn)性穩壓器和電感開(kāi)關(guān)。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(yōu)缺點(diǎn)。我們下面介紹這兩種拓撲結構的各種優(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。根據特性集的不同，可能會(huì )出現其他一些控制環(huán)路。我們將在后面詳細討論這些環(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。根據不同的負載，這些電路的典型效率為80% 到96%。開(kāi)關(guān)轉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(xiàn)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(xiàn)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(guò)穩壓旁路組件的電阻來(lái)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(lái)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(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(zhù)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(lái)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(chǎn)品說(shuō)明書(shū)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(gè)參數是充電電流。對于一些小型應用來(lái)說(shuō)，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(xiàn)性充電器。這些應用一般都具有非常小的體積，無(wú)法為開(kāi)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。對于手機應用來(lái)說(shuō)，充電電流一般在350-700mA 范圍以?xún)�。在這種范圍中，很多時(shí)候線(xiàn)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(xiàn)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(shí)使用開(kāi)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(xiàn)性充電器通過(guò)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(tīng)起來(lái)似乎不太壞。如果您從功耗的角度來(lái)看它，這種應用要消耗約2W。在一個(gè)熱阻 （ΘJA）為40°C/W 的應用中，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)題甚至會(huì )變得極端嚴重。相同3V 條件下，溫度升至120°C。讓我們來(lái)看相同條件下的開(kāi)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(lái)40°C 的溫升。3V 時(shí)這種改善更加明顯。假設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(kāi)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

在您已經(jīng)完成您的初步熱分析并且選好充電器拓撲以后，您便可以轉到選擇應用的最佳IC 上來(lái)。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的性能。諸如輸入過(guò)壓保護、電源路徑管理（PPM）、VIN_DPM、散熱穩壓、負溫度系數熱敏電阻 （NTC） 監測和USB 充電等特性，都被集成到許多電池充電器IC 中。大多數單體電池充電器解決方案都已將要求FET 集成到了器件中，旨在節省電路板面積。

輸入過(guò)壓保護（單輸入與雙輸入對比）

在當今的市場(chǎng)上，USB 電源已經(jīng)成為最為常見(jiàn)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(zhuān)門(mén)AC 適配器和單獨USB 接口的初始雙輸入轉變?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(xiàn)纜的USB 數據輸入接口的單輸入解決方案。這樣便導致一種從雙輸入解決方案向單輸入解決方案的轉移。單輸入在接口方面存在許多挑戰。由于存在如此多的配件市場(chǎng)適配器解決方案和一種通用接口，輸入端必須要能夠在無(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，因此充電器對所有下游電路實(shí)施過(guò)電壓狀態(tài)保護是有道理的。為了實(shí)施這一功能，市場(chǎng)上出現了許多能夠承受20V 甚至30V 電壓的解決方案。另外，這些器件都具有過(guò)電壓保護 （OVP） 電路，其在輸入超出OVP 閾值時(shí)阻止器件運行。這樣便進(jìn)一步保護了下游電路，使其免受潛在的瞬態(tài)過(guò)電壓狀態(tài)損壞。

目前，隨著(zhù)綠色輸入（即太陽(yáng)能電池）或無(wú)線(xiàn)充電的出現，應用又再一次向雙輸入要求轉移。根據具體的應用要求，兩種配置結構都可以使用。

電源路徑管理/最小系統電壓

電池充電器的一般方法是將系統直接連接到電池，讓充電器同時(shí)為電池和系統供電。然后，對系統的總電流進(jìn)行穩壓，這樣做存在幾個(gè)問(wèn)題。特別是低電池電量啟動(dòng)、終止干擾和早期計時(shí)器超時(shí)等問(wèn)題。電源路徑管理通過(guò)對電池電流和系統電流進(jìn)行分別監測，消除了這些問(wèn)題［2］。

圖 2 傳統拓撲結構舉例

圖 3 電源路徑拓撲結構舉例

最低系統電壓

使用傳統方法時(shí)，系統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)可用電平以前系統都不會(huì )啟動(dòng)。利用PPM，可對系統電壓?jiǎn)为毞�壓，將其與電池電壓區分開(kāi)來(lái)。這就意味著(zhù)可以實(shí)現最低系統電壓，其與電池電壓無(wú)關(guān)。對用戶(hù)而言，這就意味著(zhù)連接適配器的同時(shí)他們便可以使用設備，假設條件是其具有足夠的功率來(lái)驅動(dòng)系統。如bq25060 等器件就具有這種功能。

更短的充電時(shí)間

由于系統電流和充電電流是單獨編程的，因此可以使用適配器的滿(mǎn)功率，其與電池的容量和充電電流的大小均無(wú)關(guān)。傳統拓撲結構中，充電器的輸出電流必須設定為最大充電電流，以應對沒(méi)有系統負載的情況。當系統中有負載時(shí)，由于系統吸收可用電流，有效充電電流降低。例如，一個(gè)使用900 mA 適配器和500 mAhr 電池的系統，使用傳統方法可以編程500 mA 的充電電流。如果系統負載為200 mA，有效充電電流僅為300 mA，充電時(shí)間幾乎翻了一翻。如果使用PPM 來(lái)研究這一相同案例，輸入電流限制設定為900 mA。這樣便允許全部500 mA充電電流，且擁有多達400 mA 的額外系統電流。

終止和早期計時(shí)器超時(shí)

在對總電流進(jìn)行穩壓的傳統系統中，電流在電池和負載之間共用。如果系統負載足夠大到從電池拉取充電電流，且在計時(shí)器超時(shí)以前電池不充電，則計時(shí)器會(huì )出現偽超時(shí)。另外，如果系統電流絕對不會(huì )降至設定終止電流以下，則永遠不會(huì )終止。電源路徑管理通過(guò)單獨監測充電電流，并動(dòng)態(tài)地使用可穩壓計時(shí)器（通過(guò)減少充電電流進(jìn)行穩壓），防止這些條件出現。就終止問(wèn)題而言，單獨對充電電流進(jìn)行監測，可讓終止條件測定變得容易。

基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理 （VIN-DPM）

為了防止出現輸入源超負載的欠壓狀態(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)路對輸入電壓進(jìn)行有效的穩壓，來(lái)最大化電源的電流。圖4 顯示了在無(wú)VIN-DPM 保護的情況下USB 端口的超負載結果。請注意，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)閉了電源負載，并允許輸入電壓恢復，從而開(kāi)啟充電器。這種開(kāi)/關(guān)脈沖發(fā)生并不是我們想要的。

圖 4 無(wú) VIN-DPM 情況下的輸入崩潰

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5 顯示了超負載USB 端口的結果。VIN-DPM 功能開(kāi)始生效，降低輸入電流限制，從而防止輸入源崩潰。

圖 5 使用VIN-DPM的輸入超負載保護

NTC 監測（包括JEITA）

通過(guò)充電期間的監測防止電池組損壞甚至是爆炸時(shí)，電池溫度極為重要。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)對集成到電池組中或者靠近系統板上電池組安裝的NTC 熱敏電阻進(jìn)行監測，來(lái)完成這項工作。許多充電器都具有集成到IC 中的NTC 監測功能。如果電池溫度處在某些非安全溫度下時(shí)，這些IC 便對溫度和禁用充電電流進(jìn)行監測。

一種新興的電池充電標準是日本電池溫度標準（JEITA）。這種標準規定了一些需降低充電電壓或者電流以提供更安全運行的中間溫度。該JEITA標準在許多充電器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)需主機關(guān)聯(lián)的獨立解決方案。對于NTC 受主機監測的系統來(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(hù)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)，主機根據電池溫度來(lái)修改充電參數。這種方法在沒(méi)有硬件改動(dòng)的情況下，在為不同平臺和電池設置要求的溫度閾值方面擁有一定的靈活性。

USB 充電標準

USB 充電時(shí)，可以使用許多充電器IC，它們都結合了USB100和USB500 電流限制。通過(guò)USB 充電器輸出運行所有下游電路，讓廣大設計人員能夠確保不超出USB 電流限制。

額外功率輸出

隨著(zhù)USB 充電的流行，許多應用都要求一個(gè)USB PHY 或者USB 收發(fā)器與主機枚舉。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。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5V LDO。每當連接一個(gè)有效電源時(shí)，這種輸出便有效。5V LDO 穩壓電壓保護USB 電路免受未穩壓適配器和其他過(guò)電壓狀態(tài)的損害。

結論

為單體鋰離子電池充電有很多種方法。我們必須對諸如充電電流、可用空間、USB 標準、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撲結構。請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。在這些簡(jiǎn)單步驟之后，您的電池充電器設計應該就會(huì )變得簡(jiǎn)單了。