鋰離子電池充電線路之設(shè)計(jì)參考
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鋰離子充電器設(shè)計(jì)范例
為滿足低耗電可攜式產(chǎn)品對于更精確、更安全的充電器應(yīng)用需求，許多IC制造商發(fā)展出低成本線性充電器。圖2是以通嘉科技的LD6275充電IC為設(shè)計(jì)范例，構(gòu)成僅需少數(shù)外部零件的獨(dú)立式線性充電器電路，其具備1.5A的最大充電電流。
圖2：LD6275應(yīng)用電路圖
LD6275是一個(gè)高整合度的鋰離子電池線性充電器IC，具備主動(dòng)電源路徑管理，在負(fù)載端電流進(jìn)行加載/卸載的情況下，實(shí)時(shí)調(diào)整電池充電電流，有效監(jiān)控管理輸入電流(即USB埠的輸出電流)，符合USB – IF所規(guī)范的浪涌電流限制和軟激活功能的要求。此外，IC內(nèi)整合有溫度檢測功能，如果IC溫度超過設(shè)定值。會自動(dòng)降低充電電流以保護(hù)芯片避免損壞。
LD6275將電源適配器/USB埠的5V直流電源進(jìn)行降壓穩(wěn)流，對鋰離子電池進(jìn)行充電，為防止電源適配器的過電流超載，可以外部電阻 RCISET設(shè)定最大充電電流限制。同時(shí)支持計(jì)算機(jī)USB端口充電模式，并依據(jù)外部腳位EN1與EN2進(jìn)行設(shè)定，各模式請見表1。透過為USB 500mA與USB 100mA操作模式設(shè)定，可以保護(hù)PC端USB埠避免過載。
表1：充電模式設(shè)定
LD6275 具有適應(yīng)性電源路徑管理(Adaptable Power Path Management, APPM)功能，其為以供給系統(tǒng)端用電為主，對電池充電為輔，如圖3所示；當(dāng)系統(tǒng)用電超過輸入電源的供給限制時(shí)，其電池亦能主動(dòng)開啟放電功能同時(shí)對系統(tǒng)端供給其所需之電能需求，如圖4所示。
圖3. APPM
圖4. APPM
LD6275開放兩段的電池設(shè)定電壓與充電電流的調(diào)整，可根據(jù)其需求動(dòng)態(tài)調(diào)整，如為符合日本JEITA的規(guī)范要求根據(jù)電池之溫度而調(diào)整充電器之設(shè)定，如下圖5表示。
圖5：TVSET, TISET調(diào)整
由于LD6275本身耗電極小，僅1~2mA,幾乎可以忽略，因此IC本身發(fā)熱功率Pd可以由下列公式計(jì)算：
Vin為輸入電源電壓，工作范圍4.1V~6V.VBAT是電池電壓，可以由0~4.2V,ICHG為設(shè)定充電電流，由外部電阻RCISET設(shè)定之。當(dāng)電池電壓低于3V時(shí)，會進(jìn)入預(yù)充電模式，IC內(nèi)部預(yù)設(shè)以ICHG的10%電流進(jìn)行充電。
假設(shè)使用5.5V電源供應(yīng)器對單顆1200mAh鋰離子電池進(jìn)行充電，在0.7℃快速充電電流時(shí)，且電池電壓為3V的條件下，可以預(yù)估IC運(yùn)作的最大耗電量為，1.762W的耗電最大值，此一功耗會使得熱阻抗60℃/W的3×3毫米QFN封裝溫度溫升127℃，即便環(huán)境溫度0℃時(shí)，也已經(jīng)超過所允許的125℃硅芯片操作溫度最大值。若設(shè)定充電電流為0.6A(0.5C)，則可降低IC溫升為90度，可以操作于35度的環(huán)境溫度中，因此是較佳的設(shè)定電流。
由以上可以得知，快速充電穩(wěn)流值和電源供應(yīng)電壓的操作范圍，對于線性充電器相當(dāng)重要。線性充電器的根本問題在于操作時(shí)芯片溫度較高，使得設(shè)計(jì)時(shí)必須在充電電流和散熱機(jī)構(gòu)之間做取舍。但往往線性充電器的應(yīng)用范圍是需要輕薄要求的便攜式產(chǎn)品，多使用導(dǎo)熱性差的塑料外殼，亦不考慮金屬散熱片，最后產(chǎn)品設(shè)計(jì)者唯有降低充電電流并延長充電時(shí)間，來換取較低的操作溫度?；诳蓴y式產(chǎn)品使用者，希望能夠在1~2小時(shí)中完成充電，因此線性充電器通常比較適合 1500mAh以下的低容量鋰離子電池應(yīng)用。若要應(yīng)用于高輸入/輸出電壓差或高容量電池的充電應(yīng)用，此時(shí)可以考慮應(yīng)用同步交換式充電器。
圖6所示為鋰離子電池充電器的標(biāo)準(zhǔn)充電流程，首先充電IC偵測是否有輸出短路或是過載的保護(hù)模式，若系統(tǒng)一切正常接著偵測電池初始電壓是否達(dá)到 3V以上，高于3V者就直接以快充模式進(jìn)行高電流充電，若電池低于3V者，進(jìn)入預(yù)充電模式，以快充的10%進(jìn)行充電，喚醒電池并避免電池?fù)p壞。在預(yù)充電階段，仍隨時(shí)偵測電池電壓，達(dá)到3V后可隨即切入快充模式。
圖6：鋰離子電池充電器的標(biāo)準(zhǔn)充電流程
在快充模式下，電池的電壓以較高速度上升，升高至4.2V時(shí)，切換至4.2V的定電壓充電，由電池本生的內(nèi)阻進(jìn)行限流，此時(shí)充電電流就如同圖1的CV階段。隨著時(shí)間過去，充電電流呈現(xiàn)指數(shù)曲線遞減，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定電流ICHG的10%，即關(guān)閉充電器，同時(shí)指示充電完成。
然而，當(dāng)電池故障時(shí)，電池可能無法儲存電能，電壓抑不會升高，所充入的能量轉(zhuǎn)變成熱，除了依靠過溫度保護(hù)機(jī)制之外，IC內(nèi)部亦具有超時(shí)定時(shí)器，無論此時(shí)電池電壓狀態(tài)如何，只要超過設(shè)定充電時(shí)間后，隨即關(guān)閉充電器，以達(dá)到多重保護(hù)使用者之功能。
使用者亦有可能在充電或式充電完畢后，在未將電源移除的情況下，即抽離電池的情況。為避免造成危險(xiǎn)，IC內(nèi)部應(yīng)具有如圖7, 8的電池存在偵測機(jī)制。充電IC會以短時(shí)間脈沖(每370ms產(chǎn)生2ms的脈沖)方式抽取電池電流，此時(shí)若電池存在，則偵測到的電池電壓應(yīng)大于一預(yù)設(shè)閥值；若電池已切離，則充電IC偵測到一低電壓，即可判定為電池?cái)嚅_狀態(tài)，并將電池端電壓切斷，保護(hù)使用者安全。
圖7. 電池存在偵測機(jī)制
圖8：電池移除偵測機(jī)制
結(jié)論
鋰離子電池以其特有的性能優(yōu)勢已在可攜式裝置如筆記計(jì)算機(jī)、攝影機(jī)、移動(dòng)通訊中得到普遍應(yīng)用。而新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設(shè)計(jì)的靈活性。同時(shí)，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了20%，其容量、與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池皆獲得改善。因此可以預(yù)見的是，未來鋰離子電池的充電器，亦朝向更快速的充電速率與更強(qiáng)健的系統(tǒng)保護(hù)能力為未來發(fā)展趨勢。
圖6：鋰離子電池充電器的標(biāo)準(zhǔn)充電流程
在快充模式下，電池的電壓以較高速度上升，升高至4.2V時(shí)，切換至4.2V的定電壓充電，由電池本生的內(nèi)阻進(jìn)行限流，此時(shí)充電電流就如同圖1的CV階段。隨著時(shí)間過去，充電電流呈現(xiàn)指數(shù)曲線遞減，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定電流ICHG的10%，即關(guān)閉充電器，同時(shí)指示充電完成。
然而，當(dāng)電池故障時(shí)，電池可能無法儲存電能，電壓抑不會升高，所充入的能量轉(zhuǎn)變成熱，除了依靠過溫度保護(hù)機(jī)制之外，IC內(nèi)部亦具有超時(shí)定時(shí)器，無論此時(shí)電池電壓狀態(tài)如何，只要超過設(shè)定充電時(shí)間后，隨即關(guān)閉充電器，以達(dá)到多重保護(hù)使用者之功能。
使用者亦有可能在充電或式充電完畢后，在未將電源移除的情況下，即抽離電池的情況。為避免造成危險(xiǎn)，IC內(nèi)部應(yīng)具有如圖7, 8的電池存在偵測機(jī)制。充電IC會以短時(shí)間脈沖(每370ms產(chǎn)生2ms的脈沖)方式抽取電池電流，此時(shí)若電池存在，則偵測到的電池電壓應(yīng)大于一預(yù)設(shè)閥值；若電池已切離，則充電IC偵測到一低電壓，即可判定為電池?cái)嚅_狀態(tài)，并將電池端電壓切斷，保護(hù)使用者安全。
圖7. 電池存在偵測機(jī)制
圖8：電池移除偵測機(jī)制
結(jié)論
鋰離子電池以其特有的性能優(yōu)勢已在可攜式裝置如筆記計(jì)算機(jī)、攝影機(jī)、移動(dòng)通訊中得到普遍應(yīng)用。而新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設(shè)計(jì)的靈活性。同時(shí)，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了20%，其容量、與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池皆獲得改善。因此可以預(yù)見的是，未來鋰離子電池的充電器，亦朝向更快速的充電速率與更強(qiáng)健的系統(tǒng)保護(hù)能力為未來發(fā)展趨勢。
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