鋰離子電池的線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)式充電解決方案

　　要快速可靠地完成充電過(guò)程需要一個(gè)高性能的充電系統。為實(shí)現可靠且經(jīng)濟高效的解決方案，設計時(shí)應當考慮到以下系統參數：

　　輸入源

　　許多應用都采用極廉價(jià)的墻式適配器作為輸入電源。其輸出電壓主要依賴(lài)于交流輸入電壓和從墻式適配器流出的負載電流。

　　在美國標準的墻面插座上交流母線(xiàn)輸入電壓的變化范圍一般為90VRMS至132VRMS。假設額定輸入電壓為120VRMS，容差為+10%, −25%。充電器必須為電池提供適當的穩壓措施，從而不受輸入電壓的影響。充電器的輸入電壓與交流母線(xiàn)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(huì )使輸出電壓略有降低。

　　利用汽車(chē)適配器充電的應用也會(huì )遇到類(lèi)似的問(wèn)題。汽車(chē)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

　　特定應用的拓撲結構選擇可能要由充電電流來(lái)決定。許多大恒流充電應用或多節電池充 電應用都采用開(kāi)關(guān)式充電解決方案來(lái)獲得更高的效率并避免產(chǎn)生過(guò)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用則傾向于采用線(xiàn)性解決方案，然 而線(xiàn)性解決方案會(huì )以熱的形式損失更多能耗。對于線(xiàn)性充電系統來(lái)說(shuō)，恒流充電的容差變得極為重要。如果穩壓容差太大，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(guò)小，整個(gè)充電周期將會(huì )延長(cháng)。

　　輸出電壓的穩定精度

　　為了盡可能地充分利用電池容量，輸出電壓穩壓精度非常關(guān)鍵。輸出電壓精度的小幅度下降也會(huì )導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置得過(guò)高。圖2顯示出了輸出電壓穩定精度的重要性。

　　充電終止方法

　　毋庸置疑，過(guò)充始終是鋰離子電池充電的心頭大患。準確的充電終止方法對于安全可靠的充電系統來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。

　　電池溫度監控
一般情況下，鋰離子電池充電時(shí)的溫度范圍應當在0℃至45℃。在此溫度范圍之外對電池充電會(huì )導致電池過(guò)熱。在充電周期中，電池內的壓力上升還會(huì ) 導致電池膨脹。溫度與壓力直接相關(guān)。隨著(zhù)溫度上升，壓力也會(huì )過(guò)大，這可能會(huì )導致電池內部的機械破裂或材料泄漏，嚴重時(shí)還有可能導致爆炸。在此溫度范圍之外 對電池充電還會(huì )損害電池的性能，或縮短電池的預期壽命。

　　通常鋰離子電池包內都采用了熱敏電阻來(lái)準確測量電池溫度。充電器檢測熱敏電阻的阻值，當阻值超出規定工作范圍，即溫度超過(guò)規定范圍時(shí)，充電被禁止。

　　電池放電電流或反向泄漏電流

　　在許多應用中，即使輸入電源不存在，充電系統仍然與電池相連。充電系統必須保證輸入電源不存在時(shí)，從電池汲取的電流極小。最大泄漏電流應當小于幾個(gè)微安，通常應小于一個(gè)微安。

　　鋰離子充電——應用實(shí)例

　　將以上幾點(diǎn)系統注意事項事先充分考慮，就能開(kāi)發(fā)出適合的充電管理系統。

　　線(xiàn)性解決方案

　　當存在穩壓良好的輸入電源時(shí)，通常采用線(xiàn)性充電解決方案。在此類(lèi)應用中，線(xiàn)性解決方案的優(yōu)點(diǎn)包括易用、尺寸小以及成本低。由于線(xiàn)性充電解決方案 效率低，因此影響設計的最重要因素就是散熱設計。散熱設計是輸入電壓、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 恒流充電階段轉換時(shí)，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、系統尺寸、成本和散熱要求之間進(jìn)行權衡。

　　例如，應用中需要利用一個(gè)5V ±5%的輸入電源以0.5C或1C的恒定電流對一個(gè)1000mAh的單節鋰離子電池充電。圖3顯示了如何利用Microchip的 MCP73843構成一個(gè)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(shí)現所需要的充電算法。MCP73843完美地結合了高精度恒流充電、 恒壓穩壓以及自動(dòng)充電終止等功能。

　　為進(jìn)一步減小線(xiàn)性解決方案的尺寸、降低其成本和復雜性，許多外部元器件都可以集成到充電管理控制器中。先進(jìn)的封裝可以提供更高的集成度，當然也 會(huì )犧牲一定的靈活性。此類(lèi)封裝需要先進(jìn)的生產(chǎn)設備，許多情況下避免了返工。通常會(huì )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(lèi)充電管理控制器 還會(huì )實(shí)現一定的熱調節功能。熱調節功能可根據器件管芯溫度來(lái)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(shí)間，熱調節功能大大降低了散熱設 計的工作量。