摘  要： 單體鋰離子(Li-Ion)電池充電器的設計過程中必須權衡多方面因素：解決方案尺寸、USB標準、充電速率和成本等。將介紹不同的充電拓撲結構，并研究電池充電器IC的一些特性。此外，還將探討一個現有的應用解決方案。
關鍵詞： 鋰離子電池；充電周期；USB

　單體鋰離子(Li-Ion)電池充電器的選項有很多種。隨著手持設備業務的不斷發展，對電池充電器的要求也不斷增加。為完成這項工作而選擇正確的集成電路 (IC)必須權衡幾個因素。在開始設計以前，需考慮解決方案尺寸、USB標準、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，然后選擇相應的充電器IC。本文將介紹不同的充電拓撲結構，并研究電池充電器IC的一些特性。此外，還將探討一個現有的應用解決方案。
鋰離子電池充電周期
    鋰離子電池要求專門的充電周期，以實現安全充電并最大化電池使用時間。電池充電分兩個階段：恒定電流(CC)和恒定電壓(CV)。電池滿電之前，電流經過穩壓進入電池。在CC模式下，電流經過穩壓達到兩個值之一。如果電池電壓非常低，則充電電流降低至預充電電平，以防止電池損壞。該閾值因電池化學屬性而不同，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間。對電池充電時，電壓上升。一旦電池電壓升至穩壓電壓(一般為 4.2 V)，充電電流逐漸減少，同時對電池電壓進行穩壓以防止過充電。在這種模式下，電池充電時電流逐漸減少，同時電池阻抗降低。當電流降至預定電平(一般為快速充電電流的10%)時終止充電。一般不對電池浮充電，因為這樣會縮短電池使用壽命。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模式解決方案對比
    將適配器電壓轉降為電池電壓并控制不同充電階段的拓撲結構有兩種：線性穩壓器和電感開關。這兩種拓撲結構在體積、效率、解決方案成本和電磁干擾 (EMI) 輻射方面各有優缺點。
    一般來說，電感開關是獲得最高效率的最佳選擇。利用電阻器等檢測組件在輸出端檢測充電電流。充電器在CC模式下時，電流反饋電路控制占空比。電池電壓檢測反饋電路控制CV模式下的占空比。根據特性集的不同，可能會出現其他一些控制環路。電感開關電路要求開關組件、整流器、電感和輸入及輸出電容器。就許多應用而言，通過選擇一種將開關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。根據不同的負載，這些電路的典型效率為80%～96%。開關轉換器因其電感尺寸一般會要求更多的空間，同時也更加昂貴。開關轉換器還會引起電感 EMI 輻射以及開關帶來的輸出端噪聲。
    線性充電器通過降低旁路組件的輸入電壓來降低DC電壓。優點是解決方案只需要3個組件：旁路組件和輸入、輸出電容。相比電感開關，線性壓降穩壓器(LDO)通常為一款低成本、低噪聲的解決方案。通過穩壓旁路組件的電阻來限制進入電池的電流，從而對充電電流進行控制。電流反饋一般來自充電器IC的輸入。對電池電壓進行檢測，以提供CV反饋。改變旁路組件的電阻來維持進入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 解決方案的缺點是高輸入輸出電壓比時（即低電量情況）效率較低，所有功率都被旁路組件消耗掉，因此對于輸入輸出差較大的高充電電流應用來說，LDO并非理想的選擇。這些高功耗應用散熱要求高，從而增加了解決方案的尺寸。
    功耗及溫升計算公式如下：
    
其中，η為充電器的效率，而POUT=VOUT×IOUT。利用熱阻，可以計算得到功耗帶來的溫升。每種應用的熱阻都不同，取決于電路板布局、氣流和封裝等具體參數。因此應該針對終端應用電路板對熱阻建模。

拓撲選擇
    對于一些小型應用來說，需要研究的第一個參數是充電電流。例如，充電電流介于 25 mA～150 mA之間的藍牙耳機最佳解決方案是線性充電器。這些應用一般都具有非常小的體積，無法為開關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。
    對于手機應用來說，充電電流一般在 350 mA～700 mA。在這種范圍中，很多時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，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。智能手機應用的電池體積較大，且充電電流需求大于1.5 A，這時使用開關解決方案則更加合理。1.5 A電流條件下溫升會非常大。
    例如，使用一個線性充電器通過5 V適配器對一塊3.6 V電池充電時，效率為72%。首先，這個效率聽起來似乎不太壞。如果從功耗的角度來分析，這種應用消耗的功率約2 W。在一個熱阻為 40 ℃/W的應用中，芯片溫度上升80 ℃。在 40 ℃環境溫度下，電路板溫度會上升至 120 ℃，這對手持設備來說是不可接受的。在極低電池電壓（即 3 V）下，這一問題甚至會變得極端嚴重，溫度將升至120 ℃。
    反觀相同條件下的開關解決方案，使用一個單體電池IC充電器時，效率上升至約85%。使用一塊3.6 V電池時，功耗低于1 W，從而帶來40 ℃的溫升。3 V時這種改善更加明顯。假設3 V輸出時的效率為80 %，則功耗低于800 mW，因此溫升會更低（約32 ℃）。這些智能手機的體積一般可以容許稍大一點的解決方案，并且能夠承受開關模式解決方案相關的稍許成本增加。
為任務選擇正確的IC
    在完成初步熱分析并且選好充電器拓撲以后，便可以選擇應用最佳的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的性能。諸如輸入過壓保護、電源路徑管理(PPM)、VIN_DPM、散熱穩壓、負溫度系數熱敏電阻(NTC)監測和USB充電等特性，都被集成到許多電池充電器IC中。大多數單體電池充電器解決方案都已將要求FET集成到了器件中，旨在節省電路板面積。
輸入過壓保護（單輸入與雙輸入對比）
    在當今的市場上，USB電源已經成為最為常見的電源，因此通過USB電源充電已經成為一種必然性。市場已經從使用專門AC適配器和單獨USB接口的初始雙輸入轉變為將一個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數據輸入接口的單輸入解決方案。這樣便導致一種從雙輸入解決方案向單輸入解決方案的轉移。單輸入在接口方面存在許多挑戰。由于市場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，因此充電器對所有下游電路實施過電壓狀態保護是有道理的。為了實現這一功能，市場上出現了許多能夠承受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(OVP)電路，其在輸入超出OVP閾值時阻止器件運行。這樣便進一步保護了下游電路，使其免受潛在的瞬態過電壓狀態損壞。
    目前，隨著綠色輸入（即太陽能電池）或無線充電的出現，應用又再一次向雙輸入要求轉移。根據具體的應用要求，兩種配置結構都可以使用。
電源路徑管理/最小系統電壓
    電池充電器的一般方法是將系統直接連接到電池，讓充電器同時為電池和系統供電，然后對系統的總電流進行穩壓。這樣做存在幾個問題，特別是低電池電量啟動、終止干擾和早期計時器超時等問題。電源路徑管理通過對電池電流和系統電流進行分別監測，消除了這些問題。
最低系統電壓
    使用傳統方法時，系統電壓始終與電池相同。因此，電池深度放電時，在電池充電到某個可用電平以前系統都不會啟動。利用PPM可對系統電壓單獨穩壓，將其與電池電壓區分開來。這就意味著可以實現最低系統電壓，且與電池電壓無關。對用戶而言，這就意味著連接適配器的同時即可使用設備，假設條件是其具有足夠的功率來驅動系統。
更短的充電時間
    由于系統電流和充電電流是單獨編程的，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。傳統拓撲結構中，充電器的輸出電流必須設定為最大充電電流，以應對無負載的情況。當系統中有負載時，由于系統吸收可用電流，有效充電電流降低。例如，一個使用900 mA適配器和500 mA鎳氫電池的系統，使用傳統方法可以編程500 mA的充電電流。如果系統負載為200 mA，有效充電電流僅為300 mA，充電時間幾乎延長一倍。如果使用PPM來研究這一相同案例，輸入電流限制設定為900 mA。這樣便允許全部 500 mA充電電流，且擁有高達400 mA的額外系統電流。
終止和早期計時器超時
    在對總電流進行穩壓的傳統系統中，電流在電池和負載之間共用。如果系統負載足夠大到從電池拉取充電電流，且在計時器超時以前電池不充電，則計時器會出現偽超時。另外，如果系統電流絕對不會降至設定終止電流以下，則永遠不會終止。電源路徑管理通過單獨監測充電電流，并動態地使用可穩壓計時器(通過減少充電電流進行穩壓)，防止這些條件出現。就終止問題而言，單獨對充電電流進行監測可讓終止條件測定變得容易。
基于輸入電壓的動態電源管理(VIN-DPM)
    為了防止出現輸入源超負載的欠壓狀態，一些器件實施了基于輸入電壓的動態電源管理(VIN-DPM)。這種環路降低輸入電流限制來防止輸入崩潰。VIN-DPM環路對輸入電壓進行有效的穩壓，實現最大化電源的電流。圖2顯示了在無VIN-DPM保護的情況下USB端口的超負載結果。需注意的是，輸入電壓降至電源狀態良好閾值以下時，充電器關閉。這樣便關閉了電源負載，并允許輸入電壓恢復，從而開啟充電器。這種開/關脈沖的發生是設計中需要極力避免的。

    VIN-DPM通過限制輸入電流阻止脈沖發生，從而防止輸入源崩潰。圖3顯示了超負載USB端口的結果。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監測（包括JEITA）
    通過充電期間的監測防止電池組損壞甚至爆炸，此時電池溫度極為關鍵。一般通過對集成到電池組中或者靠近系統板上電池組安裝的NTC熱敏電阻進行監測來完成這項工作。許多充電器都具有集成到IC中的NTC監測功能。如果電池溫度處在非安全溫度下，則這些IC便對溫度和禁用充電電流進行監測。
    一種新興的電池充電標準是日本電池溫度標準 (JEITA)，這種標準規定了一些需降低充電電壓或者電流以提供更安全運行的中間溫度。該JEITA標準在許多充電器IC中也很容易實施，例如，單輸入單體鋰離子電池充電器集成了一種無需主機關聯的獨立解決方案。對于NTC受主機監測的系統來說，許多IC都提供了非常簡單的實施。I2C接口允許用戶動態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，主機根據電池溫度來修改充電參數。這種方法在沒有硬件改動的情況下，在為不同平臺和電池設置要求的溫度閾值方面擁有一定的靈活性。
USB充電標準
    USB充電時，可以使用許多充電器IC，它們都結合了USB100和USB500電流限制。通過USB充電器輸出運行所有下游電路，讓廣大設計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，許多應用都要求一個USB PHY或者USB收發器與主機通信。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。因此，許多充電器IC都集成了一個連接電源并通過電源供電的5 V LDO。每當連接一個有效電源時，這種輸出便有效。5 V LDO穩壓電壓保護USB電路免受未穩壓適配器和其他過電壓狀態的損害。
    設計單體鋰離子電池充電時必須對諸如充電電流、可用空間、USB標準、成本和特性集等要求進行研究，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撲結構。同時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。