鋰離子電池的線性和開關(guān)式充電解決方案

　　要快速可靠地完成充電過程需要一個高性能的充電系統(tǒng)。為實現(xiàn)可靠且經(jīng)濟高效的解決方案，設(shè)計時應(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是次級繞組的電阻與初級繞組反射電阻(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使輸出電壓略有降低。

　　利用汽車適配器充電的應(yīng)用也會遇到類似的問題。汽車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)用都采用開關(guān)式充電解決方案來獲得更高的效率并避免產(chǎn)生過多熱量。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 而線性解決方案會以熱的形式損失更多能耗。對于線性充電系統(tǒng)來說，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小，整個充電周期將會延長。

　　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于安全可靠的充電系統(tǒng)來說非常關(guān)鍵。

　　電池溫度監(jiān)控
一般情況下，鋰離子電池充電時的溫度范圍應(yīng)當(dāng)在0℃至45℃。在此溫度范圍之外對電池充電會導(dǎo)致電池過熱。在充電周期中，電池內(nèi)的壓力上升還會 導(dǎo)致電池膨脹。溫度與壓力直接相關(guān)。隨著溫度上升，壓力也會過大，這可能會導(dǎo)致電池內(nèi)部的機械破裂或材料泄漏，嚴(yán)重時還有可能導(dǎo)致爆炸。在此溫度范圍之外 對電池充電還會損害電池的性能，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準(zhǔn)確測量電池溫度。充電器檢測熱敏電阻的阻值，當(dāng)阻值超出規(guī)定工作范圍，即溫度超過規(guī)定范圍時，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，從電池汲取的電流極小。最大泄漏電流應(yīng)當(dāng)小于幾個微安，通常應(yīng)小于一個微安。

　　鋰離子充電——應(yīng)用實例

　　將以上幾點系統(tǒng)注意事項事先充分考慮，就能開發(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，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)計的最重要因素就是散熱設(shè)計。散熱設(shè)計是輸入電壓、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，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行權(quán)衡。

　　例如，應(yīng)用中需要利用一個5V ±5%的輸入電源以0.5C或1C的恒定電流對一個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)成一個低成本的獨立解決方案，只需要極少量的外部元器件，就可以實現(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)壓以及自動充電終止等功能。

　　為進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。先進的封裝可以提供更高的集成度，當(dāng)然也 會犧牲一定的靈活性。此類封裝需要先進的生產(chǎn)設(shè)備，許多情況下避免了返工。通常會集成充電電流檢測、傳輸晶體管以及反向放電保護。此外此類充電管理控制器 還會實現(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)化充電周期時間，熱調(diào)節(jié)功能大大降低了散熱設(shè) 計的工作量。