兆赫同步開關(guān)電池充電器的應(yīng)用

隨著器件集成度的提高和尺寸的縮減，手機(jī)、PDA 及便攜 DVD 播放器等便攜設(shè)備的市場(chǎng)需求增長(zhǎng)迅猛。電池功率密度的提高成為技術(shù)進(jìn)步的瓶頸，而鋰離子電池在該方面的優(yōu)勢(shì)使其得到廣泛應(yīng)用。為了延長(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間并降低器件尺寸，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員開始意識(shí)到利用高級(jí)電路拓?fù)涮岣呦到y(tǒng)功率轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)不能解決問題。電池充電已成為提高電池容量并延長(zhǎng)使用壽命的重要方案。線性電池充電器成本合理、尺寸小，適用于低容量電池充電應(yīng)用。但線性電池充電器由于功耗較高，已不能充分滿足充電需求。本文主要介紹兆赫同步開關(guān)電池充電器以及有效充電并延長(zhǎng)電池使用壽命的設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)。

鋰離子電池充電
大部分專用鋰離子充電集成電路 (IC) 都是通過(guò)圖1所示的方式充電。鋰離子電池的充電過(guò)程由三個(gè)階段組成：預(yù)充電、恒流 (CC) 快速充電以及恒壓 (CV) 終端 (Termination)。在預(yù)充電階段，以低速率（一般是快速充電率的 1/10）對(duì)電池充電，這時(shí)的電池電壓低于 3.0V。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈍化層的恢復(fù) - 鈍化層在深度放電狀態(tài)下存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)分解。另外，還可以在發(fā)生陽(yáng)極短路的過(guò)充電電池出現(xiàn)部分銅分解的情況下防止 1C 充電過(guò)熱。在電池電壓達(dá)到 3.0V 時(shí)，電池充電器進(jìn)入 CC 階段。

快速充電電流應(yīng)當(dāng)限制在 1C 速率（0.7C 速率），以防止過(guò)熱以及因而造成的加速降質(zhì)。不過(guò)，為高功率容量設(shè)計(jì)的電池可以容許更高的充電率。應(yīng)當(dāng)合理選擇充電率，使電池溫度在充電結(jié)束時(shí)不超過(guò) 50 C。電池以快速充電率充電，直到達(dá)到穩(wěn)壓極限（一般是 4.2V/電池，不過(guò)碳素 (coke-based) 陽(yáng)極鋰離子電池為 4.1V）。然后，在充電電流以指數(shù)方式降低到預(yù)定義終端電平時(shí)，電池充電器開始調(diào)節(jié)電池電壓并且進(jìn)入 CV 階段。輸出穩(wěn)壓精度是提高電池容量和延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵。較低的穩(wěn)壓精度會(huì)造成電池充電不足，進(jìn)而造成電池容量大幅降低。充電不足 1％ 電壓時(shí)，電池即損失大約 8％ 的容量。較低的電池穩(wěn)壓精度也會(huì)造成電池過(guò)充電，從而縮短電池使用壽命。為了安全地對(duì)鋰離子電池充電，僅允許環(huán)境溫度在 0～45 C 之間。在更低溫度時(shí)充電會(huì)形成金屬鋰，從而提高電池阻抗并造成電池降質(zhì)。在更高溫度時(shí)充電會(huì)由于鋰電解反應(yīng)而造成加速降質(zhì)。

低成本獨(dú)立線性電池充電器

許多IC 制造商通過(guò)開發(fā)用于低功耗便攜設(shè)備的低成本線性電池充電器來(lái)滿足市場(chǎng)對(duì)更精確和更安全充電的需求。圖 2 就是一種采用更少外部組件的低成本獨(dú)立線性電池充電器電路結(jié)構(gòu)圖。

這種電池充電器簡(jiǎn)便地把適配器的 DC 電壓降低到電池電壓。導(dǎo)通元件上的功率等于適配器電壓減去電池電壓再乘以充電電流，如下式所示：

如果采用 5V 適配器對(duì) 1200mAh 或 2200mAh 單體鋰離子電池充電，則圖 3 說(shuō)明 0.7C 充電率快速充電電流情況下的功耗。

在電池從預(yù)充電向快速充電階段過(guò)渡時(shí)，最大功耗分別為 1.68W 和 3.0W。對(duì)于具有 47℃/W 熱阻的 3 3mmQFN 封裝而言，3.0W 的功耗會(huì)造成 141℃ 的溫度升高。這肯定會(huì)超過(guò) 25℃環(huán)境溫度時(shí)的最高 125℃硅芯片接點(diǎn)工作溫度?？焖俪潆婋娏髡{(diào)節(jié)和 AC 適配器電壓容差在線性電池充電器中同樣至關(guān)重要。如果穩(wěn)壓容差較寬松，則導(dǎo)通晶體管和封裝需要更大的尺寸，從而增加尺寸和成本。線性電池充電器的主要問題是其高功耗。必須對(duì)充電系統(tǒng)的充電電流、尺寸、成本和散熱需求做出取舍。因此，由于其突出的尺寸、成本和散熱問題，線性電池充電器一般適用于低容量（低于 1300mAh）鋰離子電池應(yīng)用。那么，如何解決高容量電池組或高輸入-輸出壓差應(yīng)用的散熱問題？答案是高效率同步開關(guān)電池充電器。

兆赫同步開關(guān)電池充電器

同步開關(guān)式充電解決方案一般用于具有高輸入-輸出壓差的應(yīng)用或者高容量電池組。對(duì)于 2200mAh 鋰離子電池組，很難采用線性電池充電器通過(guò)車載適配器 (12V) 在 0.5C～1C 的快速充電率情況下對(duì)單體電池充電。雖然可以采用具有散熱調(diào)節(jié)功能的線性電池充電器，但是低充電率情況下的充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

圖 4 說(shuō)明適用于 DVD 播放器和智能電話等設(shè)備的充電電流達(dá)到 2A 的獨(dú)立高效同步開關(guān)降壓電池充電器。

它采用1.1MHz 開關(guān)頻率電壓模式控制架構(gòu)，利用內(nèi)置III型環(huán)路補(bǔ)償器降低外部組件數(shù)量。為了進(jìn)一步降低電池充電器尺寸，它在4 4 mm小型封裝的 PWM 控制器中集成了兩個(gè)功率 MOSFET。功率 MOSFET Q1 和 Q2 交替關(guān)閉，具有最佳的停滯時(shí)間，以優(yōu)化高開關(guān)頻率時(shí)的效率。Q1 用作 P 通道 MOSFET，在用于高側(cè) N-MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)可以消除外部自益放大電容器 (boost strap capacitor) 和二極管。另外，通過(guò)完全打開 Q1，在輸入電壓非常接近電池電壓時(shí)，易于實(shí)現(xiàn) 100％的占空比。打開和關(guān)閉時(shí)間處于受控狀態(tài)，從而可以根據(jù)反饋控制環(huán)路調(diào)節(jié)電池充電電流（CC 階段）或電池電壓（CV階段）。電池充電器具有高度集成的功能，能夠安全、高效地對(duì)鋰離子電池充電。它可以編程預(yù)充電電流、快速充電電流、充電電壓、充電定時(shí)器、電池溫度監(jiān)控、自動(dòng)再充電、短路和過(guò)熱保護(hù)。電路參數(shù)設(shè)計(jì)用于下述設(shè)計(jì)示例中的以下規(guī)格。

適配器 DC 電壓：12 V

雙體鋰離子電池組：4.2 V/電池，1900mAh/電池

預(yù)充電電流：IPRE-CHG=133 mA

快速充電電流：ICHG=1.33 A

充電時(shí)間限制：tCHG = 5-hour

開始充電的溫度范圍：T= 0℃～45 C。

由于電池充電器的尺寸對(duì)便攜設(shè)備極其重要，因此需要采用盡可能小的輸出電感器。對(duì)于給定的電感器紋波電流，所需的電感由下式得出：

式中，f_{s}和 DIripple,L 分別是開關(guān)頻率和電感器紋波電流。在上式中代入VIN=12V、VBAT=6.0V（3.0V/電池）、
Iripple,L=30％ICHG、ICHG=1.33A以及fs=1MHz ，可以得出L=7.5 H。可以選擇L=10 H的屏蔽電感器。請(qǐng)注意：屏蔽電感器在把磁通量限制在電感器內(nèi)部和降低輻射電磁干擾 (EMI) 方面具有更高能力。所需的電感與開關(guān)頻率成反比。另一方面，電感可以降低 10 倍，在 1MHz 時(shí)的尺寸低于 100kHz 時(shí)的尺寸，開關(guān)頻率越高，Q1 和 Q2 上的開關(guān)損耗越高，同時(shí)電感器內(nèi)核損耗也越高。因此，1MHz 開關(guān)頻率是實(shí)際設(shè)計(jì)中電感器尺寸和功率轉(zhuǎn)換效率之間的理想取舍。

電感器額定電流的選擇對(duì)實(shí)現(xiàn)預(yù)期效率也很重要。峰值電感器電流 IPeak 通過(guò)下式計(jì)算：

電池電壓為輸入電壓一半時(shí)電感器具有最高的紋波電流。因此，在所有工作情況下電感器飽和額定電流都應(yīng)當(dāng)始終大于最高峰值電感器電流。
關(guān)鍵是選擇較小的、具有良好溫度特征的陶瓷輸出電容器，如：X7R 和 X5R 陶瓷電容器。進(jìn)入電池的紋波電流由下式得出：

式中，ESR、RSNS和RBAT分別是輸出電容器等效串連電阻、電流感測(cè)電阻器和電池內(nèi)部阻抗，包括電池組中保護(hù) MOSFET 的 Rdson。輸出電容器的 ESR 越低，進(jìn)入電池的紋波電流也越低。進(jìn)入電池的紋波電流應(yīng)當(dāng)?shù)陀陔姼衅骷y波電流的十分之一，一般情況下 10 F/10m ESR 陶瓷電容器即可滿足上述需求。

·選擇電流感測(cè)電阻器RSNS

根據(jù)感測(cè)電阻器的調(diào)節(jié)閾值 VIREG 選擇 RSNS。為了取得標(biāo)準(zhǔn)的感測(cè)電阻器值，使 VIREG=133mV，則求得 RSNS：

感測(cè)電阻器的功耗為I2CHGRSNS=I2CHGRsns=0.18W。選擇 0.5W 時(shí)的 1206 額定尺寸。

·選擇快速充電電流 設(shè)定電阻器RSET1.
RSET1 用于設(shè)定快速充電電流，RSET1 由下式求得：

·選擇預(yù)充電電流設(shè)定電阻器 RSET2.

RSET2用于設(shè)定預(yù)充電電流，由下式求得：

·選擇最長(zhǎng)充電時(shí)間設(shè)定電容器 CTTC

如果電池未充滿，充電定時(shí)器可以檢測(cè)“壞”電池組，此時(shí)充電定時(shí)器失效。CTTC 用于對(duì)充電定時(shí)器進(jìn)行編程，規(guī)定每 nF 為 2.6 分鐘。
C_{TTC}=\frac{t_{CHG}}{K_{TTC}}=\frac{5 60}{2.6}=115nF

可以選用 0.1 F 陶瓷電容器。

·選擇最低與最高充電溫度設(shè)定電阻器 RT1 與 RT2
RT1 與 RT2 用于在 0 C～45 C 間充電溫度范圍內(nèi)進(jìn)行編程，以啟動(dòng)電池充電器。對(duì)于電池組中常用的 103AT-2 熱敏電阻，RT(0℃)=RTL=27.28k ，RT(45℃)=RTH=4.911 k ，RT1與RT2由下式確定：

在上式中代入 RTL 與 RTH 可以求得 RT1=9.31kW，RT2=442 kW。
在 16V 輸入電壓下仍然具有超過(guò) 90％ 的效率。與線性充電器相比，功耗低得多，而且可以在電池組側(cè)設(shè)計(jì)同步開關(guān)充電器，以降低對(duì)主板空間的占用，由于以 MHz 頻率進(jìn)行工作，電感器的尺寸較小。需要牢記的是，電池的使用壽命主要取決于其溫度。利用同步開關(guān)電池充電器對(duì)鋰離子電池充電一般情況下產(chǎn)生的熱量更低。因此，與線性電池充電器相比，它具有更長(zhǎng)的使用壽命。

結(jié)束語(yǔ)

線性電池充電器適用于具有低成本和小尺寸優(yōu)勢(shì)的低容量電池充電應(yīng)用。隨著便攜式 DVD 播放器和智能電話等便攜設(shè)備對(duì)功率需求的不斷提高，由于其內(nèi)在的高功耗限制，線性電池充電器不再能夠高效的對(duì)鋰離子電池充電。集成 MOSFET 的高效率同步開關(guān)電池充電器為這些高級(jí)便攜設(shè)備提供高效的充電解決方案，從而實(shí)現(xiàn)更低的熱量與更長(zhǎng)的電池使用壽命。