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)用的拓撲結(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。