鋰離子電池的線性和開(kāi)關(guān)式充電解決方案

　　要快速可靠地完成充電過(guò)程需要一個(gè)高性能的充電系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)可靠且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到以下系統(tǒng)參數(shù)：

　　輸入源

　　許多應(yīng)用都采用極廉價(jià)的墻式適配器作為輸入電源。其輸出電壓主要依賴于交流輸入電壓和從墻式適配器流出的負(fù)載電流。

　　在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的墻面插座上交流母線輸入電壓的變化范圍一般為90VRMS至132VRMS。假設(shè)額定輸入電壓為120VRMS，容差為+10%, −25%。充電器必須為電池提供適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓措施，從而不受輸入電壓的影響。充電器的輸入電壓與交流母線電壓和充電電流成比例：

　　VO=2VIN×a-1O(REQ+RPTC)-2×VFD

　　REQ是次級(jí)繞組的電阻與初級(jí)繞組反射電阻(RP/a2)的和。RPTC是PTC的電阻，VFD是橋式整流器的前向壓降。此外變壓器磁芯損失也會(huì)使輸出電壓略有降低。

　　利用汽車(chē)適配器充電的應(yīng)用也會(huì)遇到類似的問(wèn)題。汽車(chē)適配器的輸出電壓典型范圍為9V至18V。

　　恒流充電的速率和精度

　　特定應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇可能要由充電電流來(lái)決定。許多大恒流充電應(yīng)用或多節(jié)電池充 電應(yīng)用都采用開(kāi)關(guān)式充電解決方案來(lái)獲得更高的效率并避免產(chǎn)生過(guò)多熱量。出于尺寸和成本方面的考慮，低檔和中檔的快速充電應(yīng)用則傾向于采用線性解決方案，然 而線性解決方案會(huì)以熱的形式損失更多能耗。對(duì)于線性充電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，恒流充電的容差變得極為重要。如果穩(wěn)壓容差太大，傳輸晶體管和其他元器件都需要更大體 積，從而增加尺寸和成本。此外，如果恒流充電電流過(guò)小，整個(gè)充電周期將會(huì)延長(zhǎng)。

　　輸出電壓的穩(wěn)定精度

　　為了盡可能地充分利用電池容量，輸出電壓穩(wěn)壓精度非常關(guān)鍵。輸出電壓精度的小幅度下降也會(huì)導(dǎo)致電池容量的大幅減少。然而出于安全和可靠性方面的考慮，輸出電壓也不能隨意設(shè)置得過(guò)高。圖2顯示出了輸出電壓穩(wěn)定精度的重要性。

　　充電終止方法

　　毋庸置疑，過(guò)充始終是鋰離子電池充電的心頭大患。準(zhǔn)確的充電終止方法對(duì)于安全可靠的充電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。

　　電池溫度監(jiān)控
一般情況下，鋰離子電池充電時(shí)的溫度范圍應(yīng)當(dāng)在0℃至45℃。在此溫度范圍之外對(duì)電池充電會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱。在充電周期中，電池內(nèi)的壓力上升還會(huì) 導(dǎo)致電池膨脹。溫度與壓力直接相關(guān)。隨著溫度上升，壓力也會(huì)過(guò)大，這可能會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的機(jī)械破裂或材料泄漏，嚴(yán)重時(shí)還有可能導(dǎo)致爆炸。在此溫度范圍之外 對(duì)電池充電還會(huì)損害電池的性能，或縮短電池的預(yù)期壽命。

　　通常鋰離子電池包內(nèi)都采用了熱敏電阻來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量電池溫度。充電器檢測(cè)熱敏電阻的阻值，當(dāng)阻值超出規(guī)定工作范圍，即溫度超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)，充電被禁止。

　　電池放電電流或反向泄漏電流

　　在許多應(yīng)用中，即使輸入電源不存在，充電系統(tǒng)仍然與電池相連。充電系統(tǒng)必須保證輸入電源不存在時(shí)，從電池汲取的電流極小。最大泄漏電流應(yīng)當(dāng)小于幾個(gè)微安，通常應(yīng)小于一個(gè)微安。

　　鋰離子充電——應(yīng)用實(shí)例

　　將以上幾點(diǎn)系統(tǒng)注意事項(xiàng)事先充分考慮，就能開(kāi)發(fā)出適合的充電管理系統(tǒng)。

　　線性解決方案

　　當(dāng)存在穩(wěn)壓良好的輸入電源時(shí)，通常采用線性充電解決方案。在此類應(yīng)用中，線性解決方案的優(yōu)點(diǎn)包括易用、尺寸小以及成本低。由于線性充電解決方案 效率低，因此影響設(shè)計(jì)的最重要因素就是散熱設(shè)計(jì)。散熱設(shè)計(jì)是輸入電壓、充電電流以及傳輸晶體管和環(huán)境冷卻空氣間的熱阻。最糟的情況是器件從涓流充電階段向 恒流充電階段轉(zhuǎn)換時(shí)，在此情況下，傳輸晶體管必須散發(fā)最大的熱能，必須在充電電流、系統(tǒng)尺寸、成本和散熱要求之間進(jìn)行權(quán)衡。

　　例如，應(yīng)用中需要利用一個(gè)5V ±5%的輸入電源以0.5C或1C的恒定電流對(duì)一個(gè)1000mAh的單節(jié)鋰離子電池充電。圖3顯示了如何利用Microchip的 MCP73843構(gòu)成一個(gè)低成本的獨(dú)立解決方案，只需要極少量的外部元器件，就可以實(shí)現(xiàn)所需要的充電算法。MCP73843完美地結(jié)合了高精度恒流充電、 恒壓穩(wěn)壓以及自動(dòng)充電終止等功能。

　　為進(jìn)一步減小線性解決方案的尺寸、降低其成本和復(fù)雜性，許多外部元器件都可以集成到充電管理控制器中。先進(jìn)的封裝可以提供更高的集成度，當(dāng)然也 會(huì)犧牲一定的靈活性。此類封裝需要先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，許多情況下避免了返工。通常會(huì)集成充電電流檢測(cè)、傳輸晶體管以及反向放電保護(hù)。此外此類充電管理控制器 還會(huì)實(shí)現(xiàn)一定的熱調(diào)節(jié)功能。熱調(diào)節(jié)功能可根據(jù)器件管芯溫度來(lái)限制充電電流，從而可在保證器件可靠性的情況下優(yōu)化充電周期時(shí)間，熱調(diào)節(jié)功能大大降低了散熱設(shè) 計(jì)的工作量。