1 電池的充電要求
充電曲線(xiàn)適用于鋰離子電池充電，它包括3個(gè)充電階段：預充階段、快充恒流（CC）階段、恒壓（CV）終止階段。在預充階段，在電池電壓低于3．0 V時(shí)，電池以較低速率充電。通常情況下，當電池電壓達到3．0 V，充電器就會(huì )進(jìn)入CC階段�？焖俪潆婋A段CC通常限制在1 C電池額定值以下。如果充電率超過(guò)1 C，那么電池使用壽命就會(huì )縮短，因為節點(diǎn)上積存的金屬鋰會(huì )與電解質(zhì)發(fā)生反應，造成永久損失。最后，充電器會(huì )進(jìn)入CV階段，這時(shí)它將保持峰值電池電壓，并在充電電流下降到預定義大小時(shí)終止充電。
電池容量是電池電壓的函數，電壓越高，容量就越大。不過(guò)，如果電池電壓升高，就會(huì )導致電池使用壽命縮短。例如，如果用4.3 V電壓給電池充電，那么容量就會(huì )提高lO％，但電池使用壽命會(huì )縮短一半。另一方面，如果電池充電不足，比理想電壓狀態(tài)低40 mV，那么容量就會(huì )降低約8％。因此，非常精準的電池充電電壓至關(guān)重要。
2 支持輸入OVP的熱調節電池充電器
圖1為支持熱調節和輸入OVP的低成本單獨線(xiàn)性電池充電器電路。該充電器能將適配器的DC電壓降到電池電壓水平。線(xiàn)性充電器的功耗計算公式：
充電器從預充階段轉向快充模式時(shí)，輸入電壓與電池電壓之間有較大差值，這時(shí)功耗會(huì )達到最高。例如，如果用5 V適配器來(lái)給1 200 mAh鋰離子電池充電，那么在1 A充電電流與3．2 V電池電壓下的最大功耗為1．8 W。如果采用3 mmx3 mm QFN封裝，熱阻抗為47℃/W，這樣的功耗會(huì )造成85℃的溫度提升。在45℃環(huán)境溫度下，結溫超過(guò)125℃的工作溫度極限。在充電開(kāi)始階段，很難將結溫控制在安全散熱范圍內。隨著(zhù)電池電壓在充電階段不斷升高，功耗也會(huì )下降。充電進(jìn)入CV模式后，功耗會(huì )進(jìn)一步下降，而充電電流也開(kāi)始下降。
如何改進(jìn)設計才能確保充電器在安全散熱范圍內正常工作呢？更高級的電池充電器（如bq2406x與bq2403x）引入了熱調節環(huán)路，可避免充電器過(guò)熱。內部芯片溫度達到預定義的溫度閾值后（如110℃），器件溫度只要進(jìn)一步提升就會(huì )使充電電流下降。這有助于限制功耗，并為充電器提供熱保護。使IC結溫升高到熱調節的最大功耗取決于PCB板布局、散熱通孔的數量以及環(huán)境溫度。從圖2看出，1．2 s之后，熱環(huán)路會(huì )在2 s內將有效充電電流從1.2 A降至600 mA。
熱調節通常在快充早期階段進(jìn)行，不過(guò)如果在CV模式下器件仍然工作的話(huà)，充電電流會(huì )過(guò)早達到充電終止閾值。為了避免充電誤終止，只要散熱調節回路在工作，電池充電終止功能就會(huì )被禁用。此外，降低有效充電電流會(huì )延長(cháng)電池充電時(shí)間，如果充電安全計時(shí)器有固定設置的話(huà)，就會(huì )過(guò)早終止充電。bq2406x采用動(dòng)態(tài)安全計時(shí)器控制電路，能在熱調節階段有效延長(cháng)安全時(shí)間，并盡可能降低安全計時(shí)器的故障率。從圖3中可以看出，熱調節模式下安全計時(shí)器的響應與有效充電電流成反比。
啟用電池充電功能后，內部電路會(huì )生成與ISET引腳設置的實(shí)際充電電流成正比的電流。電阻器RSET上生成的電壓反映的是充電電流。該電壓可由主機監控，以獲取充電電流信息。
為鋰離子電池充電的適配器有很多種。低價(jià)位適配器的穩壓輸出可能不太理想，空載下的輸出電壓也高于正常負載情況。此外，在電池熱插人情況下，充電器輸入電壓會(huì )達到適配器電壓的兩倍，這是由線(xiàn)纜電感和電池充電器輸入電容間的共振造成的。為了在輸入電壓高于預定義閾值時(shí)提高安全度，bq2406x充電器的輸入OVP功能將禁止充電。
LDO模式（TMR引腳開(kāi)路時(shí)）可禁止充電終止電路或電池檢測電路工作。并將安全定時(shí)器時(shí)鐘保持在復位狀態(tài)。該模式通常用于無(wú)電池或正在進(jìn)行測試的工作環(huán)境。
許多應用都要求在電池充電同時(shí)給系統供電。如圖l所示，系統直接連接到電池充電輸出，系統和充電器間的相互影響會(huì )使安全計時(shí)器生成錯誤充電終止信息。圖4為能夠解決上述問(wèn)題的典型應用電路。這里有兩個(gè)獨立的電源路徑，一個(gè)給電池充電，另一個(gè)給系統供電。如果AC適配器不可用，那么電池放電MOSFET在R4和C2設置的時(shí)間延遲之后就會(huì )打開(kāi)，這樣電池就能給系統供電了。
3 總結
支持熱調節功能的線(xiàn)性電池充電器能顯著(zhù)提高散熱設計與安全性。利用輸入OVP機制，只有經(jīng)過(guò)認可的適配器才能給電池充電，從而提高系統安全性。 |
