使用雙極晶體管進(jìn)行鋰離子電池充電

序言

隨著便攜式手持設(shè)備(如手機(jī)、PDA等)的功能不斷增加，加上對較小體積與更長電池壽命的要求，使得鋰電池成為許多此類設(shè)備的首選供電能源。本文將討論線性充電技術(shù)與相關(guān)的離散調(diào)節(jié)元件，并重點(diǎn)討論主要離散參數(shù)與選擇標(biāo)準(zhǔn)。

鋰離子電池充電周期

為模擬充電電路中的主要功率損耗，以便選擇正確的元件，我們必須了解鋰離子(Li-Ion)電池的充電周期。圖1 顯示了單個鋰離子電池的典型充電周期。預(yù)充電壓閾值(VPRE)、上端電池電極電壓閾值(VT)、以及再充電閾值(VRECHG)，取決于鋰離子電池的種類及不同的生產(chǎn)商。而預(yù)充與上端電壓極限的電壓差取決于電池的內(nèi)部化學(xué)性質(zhì)。

如圖1 所示，典型充電周期分為預(yù)充，快速充電(恒流)，快速充電(恒壓)以及充電終止 4 個階段。單個鋰離子電池的典型滿充周期為 3 小時。VLPROT和 VHPOT是高低保護(hù)電壓閾值，適用于具備內(nèi)部保護(hù)電路的電池。

圖1  典型鋰離子單個電池充電特性圖

使用線性充電器對電池充電

線性充電器設(shè)計簡單，體積較小，并且沒有“開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器”常有的噪音，這些優(yōu)點(diǎn)使得線性充電器特別適用于小功率、低噪音應(yīng)用。線性充電器使用外部調(diào)節(jié)元件，以將電池電壓由輸入電源降至電池電壓，因此功率損耗較大。圖2顯示具備外部調(diào)節(jié)元件與反向阻斷肖特基二極管的典型線性充電器應(yīng)用。

圖2  典型線性電池充電器應(yīng)用

調(diào)節(jié)元件 Q1 可以是 MOSFET 或雙極晶體管。MOSFET 需要串聯(lián)反向阻斷肖特基二極管，以阻止電流通過體二極管，由電池流向電源。也可以使用兩個 MOSFET，一個作為調(diào)節(jié)元件，另一個作為反向阻斷二極管。但是，作為反向阻斷裝置的肖特基二極管，其成本較 MOSFET 低。多數(shù) PNP 晶體管可為單室鎳鎘與鎳氫電池提供反向阻斷能力，但此能力并未得到確定或保證。鋰離子電池(包括 4.2V 單室電池)，一般均需要阻斷二極管與標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管串聯(lián)。Zetex 提供多種特定應(yīng)用晶體管，單室鋰離子電池充電所需的反向阻斷能力得到充分保證。 

線性電池充電器由于充電電壓的余量較低(尤其當(dāng)使用 USB 總線供電的充電器時)，因此需要額外肖特基二極管以實現(xiàn)反向阻斷。USB 電源電壓可在 4.4V 至 5.25V 之間浮動。

恒流階段過程中，電池電壓增加，晶體管集電極發(fā)射極電壓降低，直至晶體管接近飽和區(qū)且增益開始下降。充電控制器透過傳感電阻器檢測到這一情況，并透過增加基極驅(qū)動加于補(bǔ)償，由此保持充電電流。因此，晶體管飽和特性對于充電周期此時輸送充電電流十分重要，必須低于最低電路電壓，同時，應(yīng)考慮電壓與電池電壓、傳感器電壓降以及所使用的任何二極管的正向電壓。應(yīng)明確指出的是，當(dāng)輸入電壓較低(如 4.4V)，飽和特性更顯重要。

以圖2的電路為例，此電路的 USB 端口輸入電壓為 4.75V(高功率 USB 端口電壓范圍的下限)，充電電流為 500mA。反向阻斷肖特基二極管正向壓降為 0.35V。如果晶體管的飽和電壓為 0.3V，傳感電阻器的電壓(VS)則為 4.1V。傳感電阻器的電壓可進(jìn)一步下降，電池的電壓低于 4.1V 時將不足以充滿鋰離子電池。當(dāng)電源電壓低至 4.4V(如低功率 USB 端口)，此情況更為嚴(yán)重。

Zetex 的特定應(yīng)用晶體管具備極低飽和電壓，且無需反向阻斷二極管即可對單室鋰離子電池進(jìn)行線性充電，因此可保持必要的余量。

圖 3 顯示典型 USB 總線供電單室鋰離子線性電池充電器應(yīng)用，在此應(yīng)用中，Zetex 低飽和 ZXTP25020CFF 雙極 PNP 晶體管同時具備反向阻斷能力。

圖3  充電階段

IC1 驅(qū)動能力通常可為 5mA 至 50mA，并可能需要 250mA至1mA的靜態(tài)電源電流。

功率損耗計算

當(dāng)電池處于預(yù)充電壓閾值(VPRE)，充電階段進(jìn)入快速充電—恒流階段，此時將產(chǎn)生最大功率損耗。對于正常工作狀態(tài)時出現(xiàn)最高功率損耗的情況，其主要功率損耗區(qū)及計算范例如下所示。

此應(yīng)用實例的電池規(guī)格為：
電池：單室鋰離子 500mAh
如用于便攜式手持設(shè)備(手機(jī)、MP3 播放器等)
電池預(yù)充閾值VPRE = 3V
電池上端電壓閾值VT = 4.2V
快速充電額定值 1C = 500mA
對于圖2中的實例，元件與電源規(guī)格為：
最大 USB 電源電壓VIN MAX=5.25V
IC1 輸入電源電流IIC_SUPPLY (Max) = 1mA
Q1 PNP 晶體管 = ZXTP25020CFF
基極發(fā)射極電壓VBE = 0.7V  
雙極 PNP 的 hFE 增益 = 275(通常于25℃，500mA 的集電極電流) 
RSENSE = 0.1
Pd(IC) = VIN MAX