摘  要： 單體鋰離子(Li-Ion)電池充電器的設(shè)計(jì)過程中必須權(quán)衡多方面因素：解決方案尺寸、USB標(biāo)準(zhǔn)、充電速率和成本等。將介紹不同的充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并研究電池充電器IC的一些特性。此外，還將探討一個(gè)現(xiàn)有的應(yīng)用解決方案。
關(guān)鍵詞： 鋰離子電池；充電周期；USB

　單體鋰離子(Li-Ion)電池充電器的選項(xiàng)有很多種。隨著手持設(shè)備業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，對(duì)電池充電器的要求也不斷增加。為完成這項(xiàng)工作而選擇正確的集成電路 (IC)必須權(quán)衡幾個(gè)因素。在開始設(shè)計(jì)以前，需考慮解決方案尺寸、USB標(biāo)準(zhǔn)、充電速率和成本等因素，并將這些因素按照重要程度依次排列，然后選擇相應(yīng)的充電器IC。本文將介紹不同的充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并研究電池充電器IC的一些特性。此外，還將探討一個(gè)現(xiàn)有的應(yīng)用解決方案。
鋰離子電池充電周期
    鋰離子電池要求專門的充電周期，以實(shí)現(xiàn)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)。電池滿電之前，電流經(jīng)過穩(wěn)壓進(jìn)入電池。在CC模式下，電流經(jīng)過穩(wěn)壓達(dá)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(yù)充電電平，以防止電池?fù)p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商。一旦電池電壓升至預(yù)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 h內(nèi)耗盡電池所需的電流)，該電流取決于電池制造廠商。典型充電電流約為0.8C，目的是最大化電池使用時(shí)間。對(duì)電池充電時(shí)，電壓上升。一旦電池電壓升至穩(wěn)壓電壓(一般為 4.2 V)，充電電流逐漸減少，同時(shí)對(duì)電池電壓進(jìn)行穩(wěn)壓以防止過充電。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。當(dāng)電流降至預(yù)定電平(一般為快速充電電流的10%)時(shí)終止充電。一般不對(duì)電池浮充電，因?yàn)檫@樣會(huì)縮短電池使用壽命。圖1所示為典型的鋰離子電池充電周期。

線性解決方案與開關(guān)模式解決方案對(duì)比
    將適配器電壓轉(zhuǎn)降為電池電壓并控制不同充電階段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種：線性穩(wěn)壓器和電感開關(guān)。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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)。
    一般來說，電感開關(guān)是獲得最高效率的最佳選擇。利用電阻器等檢測(cè)組件在輸出端檢測(cè)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(cè)反饋電路控制CV模式下的占空比。根據(jù)特性集的不同，可能會(huì)出現(xiàn)其他一些控制環(huán)路。電感開關(guān)電路要求開關(guān)組件、整流器、電感和輸入及輸出電容器。就許多應(yīng)用而言，通過選擇一種將開關(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(jù)不同的負(fù)載，這些電路的典型效率為80%～96%。開關(guān)轉(zhuǎn)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。開關(guān)轉(zhuǎn)換器還會(huì)引起電感 EMI 輻射以及開關(guān)帶來的輸出端噪聲。
    線性充電器通過降低旁路組件的輸入電壓來降低DC電壓。優(yōu)點(diǎn)是解決方案只需要3個(gè)組件：旁路組件和輸入、輸出電容。相比電感開關(guān)，線性壓降穩(wěn)壓器(LDO)通常為一款低成本、低噪聲的解決方案。通過穩(wěn)壓旁路組件的電阻來限制進(jìn)入電池的電流，從而對(duì)充電電流進(jìn)行控制。電流反饋一般來自充電器IC的輸入。對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，以提供CV反饋。改變旁路組件的電阻來維持進(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(fù)載電流。這就是說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掉，因此對(duì)于輸入輸出差較大的高充電電流應(yīng)用來說，LDO并非理想的選擇。這些高功耗應(yīng)用散熱要求高，從而增加了解決方案的尺寸。
    功耗及溫升計(jì)算公式如下：
    
其中，η為充電器的效率，而POUT=VOUT×IOUT。利用熱阻，可以計(jì)算得到功耗帶來的溫升。每種應(yīng)用的熱阻都不同，取決于電路板布局、氣流和封裝等具體參數(shù)。因此應(yīng)該針對(duì)終端應(yīng)用電路板對(duì)熱阻建模。

拓?fù)溥x擇
    對(duì)于一些小型應(yīng)用來說，需要研究的第一個(gè)參數(shù)是充電電流。例如，充電電流介于 25 mA～150 mA之間的藍(lán)牙耳機(jī)最佳解決方案是線性充電器。這些應(yīng)用一般都具有非常小的體積，無法為開關(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，功耗帶來的溫升可以忽略不計(jì)。
    對(duì)于手機(jī)應(yīng)用來說，充電電流一般在 350 mA～700 mA。在這種范圍中，很多時(shí)候線性解決方案仍然非常有效。由于它們通常都為低成本手機(jī)，其成本壓力更大，因此線性充電器便成為一種理想的解決方案。智能手機(jī)應(yīng)用的電池體積較大，且充電電流需求大于1.5 A，這時(shí)使用開關(guān)解決方案則更加合理。1.5 A電流條件下溫升會(huì)非常大。
    例如，使用一個(gè)線性充電器通過5 V適配器對(duì)一塊3.6 V電池充電時(shí)，效率為72%。首先，這個(gè)效率聽起來似乎不太壞。如果從功耗的角度來分析，這種應(yīng)用消耗的功率約2 W。在一個(gè)熱阻為 40 ℃/W的應(yīng)用中，芯片溫度上升80 ℃。在 40 ℃環(huán)境溫度下，電路板溫度會(huì)上升至 120 ℃，這對(duì)手持設(shè)備來說是不可接受的。在極低電池電壓（即 3 V）下，這一問題甚至?xí)兊脴O端嚴(yán)重，溫度將升至120 ℃。
    反觀相同條件下的開關(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3.6 V電池時(shí)，功耗低于1 W，從而帶來40 ℃的溫升。3 V時(shí)這種改善更加明顯。假設(shè)3 V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 ℃）。這些智能手機(jī)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
    在完成初步熱分析并且選好充電器拓?fù)湟院螅憧梢赃x擇應(yīng)用最佳的IC。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(tǒng)的性能。諸如輸入過壓保護(hù)、電源路徑管理(PPM)、VIN_DPM、散熱穩(wěn)壓、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)監(jiān)測(cè)和USB充電等特性，都被集成到許多電池充電器IC中。大多數(shù)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(jié)省電路板面積。
輸入過壓保護(hù)（單輸入與雙輸入對(duì)比）
    在當(dāng)今的市場(chǎng)上，USB電源已經(jīng)成為最為常見的電源，因此通過USB電源充電已經(jīng)成為一種必然性。市場(chǎng)已經(jīng)從使用專門AC適配器和單獨(dú)USB接口的初始雙輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒁粋€(gè)USB接口既作為墻上電源適合器接口使用，也作為使用相同線纜的USB數(shù)據(jù)輸入接口的單輸入解決方案。這樣便導(dǎo)致一種從雙輸入解決方案向單輸入解決方案的轉(zhuǎn)移。單輸入在接口方面存在許多挑戰(zhàn)。由于市場(chǎng)上存在如此多的適配器解決方案和一種通用接口，輸入端必須能夠在無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(duì)所有下游電路實(shí)施過電壓狀態(tài)保護(hù)是有道理的。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多能夠承受20 V，甚至30 V電壓的解決方案。另外，這些器件都具有過電壓保護(hù)(OVP)電路，其在輸入超出OVP閾值時(shí)阻止器件運(yùn)行。這樣便進(jìn)一步保護(hù)了下游電路，使其免受潛在的瞬態(tài)過電壓狀態(tài)損壞。
    目前，隨著綠色輸入（即太陽(yáng)能電池）或無線充電的出現(xiàn)，應(yīng)用又再一次向雙輸入要求轉(zhuǎn)移。根據(jù)具體的應(yīng)用要求，兩種配置結(jié)構(gòu)都可以使用。
電源路徑管理/最小系統(tǒng)電壓
    電池充電器的一般方法是將系統(tǒng)直接連接到電池，讓充電器同時(shí)為電池和系統(tǒng)供電，然后對(duì)系統(tǒng)的總電流進(jìn)行穩(wěn)壓。這樣做存在幾個(gè)問題，特別是低電池電量啟動(dòng)、終止干擾和早期計(jì)時(shí)器超時(shí)等問題。電源路徑管理通過對(duì)電池電流和系統(tǒng)電流進(jìn)行分別監(jiān)測(cè)，消除了這些問題。
最低系統(tǒng)電壓
    使用傳統(tǒng)方法時(shí)，系統(tǒng)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(tǒng)都不會(huì)啟動(dòng)。利用PPM可對(duì)系統(tǒng)電壓?jiǎn)为?dú)穩(wěn)壓，將其與電池電壓區(qū)分開來。這就意味著可以實(shí)現(xiàn)最低系統(tǒng)電壓，且與電池電壓無關(guān)。對(duì)用戶而言，這就意味著連接適配器的同時(shí)即可使用設(shè)備，假設(shè)條件是其具有足夠的功率來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
更短的充電時(shí)間
    由于系統(tǒng)電流和充電電流是單獨(dú)編程的，因此可以使用適配器的滿功率，其與電池的容量和充電電流的大小均無關(guān)。傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，充電器的輸出電流必須設(shè)定為最大充電電流，以應(yīng)對(duì)無負(fù)載的情況。當(dāng)系統(tǒng)中有負(fù)載時(shí)，由于系統(tǒng)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 mA鎳氫電池的系統(tǒng)，使用傳統(tǒng)方法可以編程500 mA的充電電流。如果系統(tǒng)負(fù)載為200 mA，有效充電電流僅為300 mA，充電時(shí)間幾乎延長(zhǎng)一倍。如果使用PPM來研究這一相同案例，輸入電流限制設(shè)定為900 mA。這樣便允許全部 500 mA充電電流，且擁有高達(dá)400 mA的額外系統(tǒng)電流。
終止和早期計(jì)時(shí)器超時(shí)
    在對(duì)總電流進(jìn)行穩(wěn)壓的傳統(tǒng)系統(tǒng)中，電流在電池和負(fù)載之間共用。如果系統(tǒng)負(fù)載足夠大到從電池拉取充電電流，且在計(jì)時(shí)器超時(shí)以前電池不充電，則計(jì)時(shí)器會(huì)出現(xiàn)偽超時(shí)。另外，如果系統(tǒng)電流絕對(duì)不會(huì)降至設(shè)定終止電流以下，則永遠(yuǎn)不會(huì)終止。電源路徑管理通過單獨(dú)監(jiān)測(cè)充電電流，并動(dòng)態(tài)地使用可穩(wěn)壓計(jì)時(shí)器(通過減少充電電流進(jìn)行穩(wěn)壓)，防止這些條件出現(xiàn)。就終止問題而言，單獨(dú)對(duì)充電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)可讓終止條件測(cè)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(xiàn)輸入源超負(fù)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防止輸入崩潰。VIN-DPM環(huán)路對(duì)輸入電壓進(jìn)行有效的穩(wěn)壓，實(shí)現(xiàn)最大化電源的電流。圖2顯示了在無VIN-DPM保護(hù)的情況下USB端口的超負(fù)載結(jié)果。需注意的是，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(fù)載，并允許輸入電壓恢復(fù)，從而開啟充電器。這種開/關(guān)脈沖的發(fā)生是設(shè)計(jì)中需要極力避免的。

    VIN-DPM通過限制輸入電流阻止脈沖發(fā)生，從而防止輸入源崩潰。圖3顯示了超負(fù)載USB端口的結(jié)果。VIN-DPM功能開始生效，降低輸入電流限制，從而防止輸入源崩潰。

NTC監(jiān)測(cè)（包括JEITA）
    通過充電期間的監(jiān)測(cè)防止電池組損壞甚至爆炸，此時(shí)電池溫度極為關(guān)鍵。一般通過對(duì)集成到電池組中或者靠近系統(tǒng)板上電池組安裝的NTC熱敏電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)來完成這項(xiàng)工作。許多充電器都具有集成到IC中的NTC監(jiān)測(cè)功能。如果電池溫度處在非安全溫度下，則這些IC便對(duì)溫度和禁用充電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
    一種新興的電池充電標(biāo)準(zhǔn)是日本電池溫度標(biāo)準(zhǔn) (JEITA)，這種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一些需降低充電電壓或者電流以提供更安全運(yùn)行的中間溫度。該JEITA標(biāo)準(zhǔn)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需主機(jī)關(guān)聯(lián)的獨(dú)立解決方案。對(duì)于NTC受主機(jī)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)來說，許多IC都提供了非常簡(jiǎn)單的實(shí)施。I2C接口允許用戶動(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(jī)根據(jù)電池溫度來修改充電參數(shù)。這種方法在沒有硬件改動(dòng)的情況下，在為不同平臺(tái)和電池設(shè)置要求的溫度閾值方面擁有一定的靈活性。
USB充電標(biāo)準(zhǔn)
    USB充電時(shí)，可以使用許多充電器IC，它們都結(jié)合了USB100和USB500電流限制。通過USB充電器輸出運(yùn)行所有下游電路，讓廣大設(shè)計(jì)人員能夠確保不超出USB電流限制。
額外功率輸出
    隨著USB充電的流行，許多應(yīng)用都要求一個(gè)USB PHY或者USB收發(fā)器與主機(jī)通信。因此，這些器件通常直接連接到VBUS電源，從而要求過電壓保護(hù)。因此，許多充電器IC都集成了一個(gè)連接電源并通過電源供電的5 V LDO。每當(dāng)連接一個(gè)有效電源時(shí)，這種輸出便有效。5 V LDO穩(wěn)壓電壓保護(hù)USB電路免受未穩(wěn)壓適配器和其他過電壓狀態(tài)的損害。
    設(shè)計(jì)單體鋰離子電池充電時(shí)必須對(duì)諸如充電電流、可用空間、USB標(biāo)準(zhǔn)、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，然后選擇最適合這些要求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)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。