鋰離子電池充電線(xiàn)路之設計參考
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時(shí)間：2012-03-12
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鋰離子充電器設計范例
為滿(mǎn)足低耗電可攜式產(chǎn)品對于更精確、更安全的充電器應用需求，許多IC制造商發(fā)展出低成本線(xiàn)性充電器。圖2是以通嘉科技的LD6275充電IC為設計范例，構成僅需少數外部零件的獨立式線(xiàn)性充電器電路，其具備1.5A的最大充電電流。
圖2：LD6275應用電路圖
LD6275是一個(gè)高整合度的鋰離子電池線(xiàn)性充電器IC，具備主動(dòng)電源路徑管理，在負載端電流進(jìn)行加載/卸載的情況下，實(shí)時(shí)調整電池充電電流，有效監控管理輸入電流(即USB埠的輸出電流)，符合USB – IF所規范的浪涌電流限制和軟激活功能的要求。此外，IC內整合有溫度檢測功能，如果IC溫度超過(guò)設定值。會(huì )自動(dòng)降低充電電流以保護芯片避免損壞。
LD6275將電源適配器/USB埠的5V直流電源進(jìn)行降壓穩流，對鋰離子電池進(jìn)行充電，為防止電源適配器的過(guò)電流超載，可以外部電阻 RCISET設定最大充電電流限制。同時(shí)支持計算機USB端口充電模式，并依據外部腳位EN1與EN2進(jìn)行設定，各模式請見(jiàn)表1。透過(guò)為USB 500mA與USB 100mA操作模式設定，可以保護PC端USB埠避免過(guò)載。
表1：充電模式設定
LD6275 具有適應性電源路徑管理(Adaptable Power Path Management, APPM)功能，其為以供給系統端用電為主，對電池充電為輔，如圖3所示；當系統用電超過(guò)輸入電源的供給限制時(shí)，其電池亦能主動(dòng)開(kāi)啟放電功能同時(shí)對系統端供給其所需之電能需求，如圖4所示。
圖3. APPM
圖4. APPM
LD6275開(kāi)放兩段的電池設定電壓與充電電流的調整，可根據其需求動(dòng)態(tài)調整，如為符合日本JEITA的規范要求根據電池之溫度而調整充電器之設定，如下圖5表示。
圖5：TVSET, TISET調整
由于LD6275本身耗電極小，僅1~2mA,幾乎可以忽略，因此IC本身發(fā)熱功率Pd可以由下列公式計算：
Vin為輸入電源電壓，工作范圍4.1V~6V.VBAT是電池電壓，可以由0~4.2V,ICHG為設定充電電流，由外部電阻RCISET設定之。當電池電壓低于3V時(shí)，會(huì )進(jìn)入預充電模式，IC內部預設以ICHG的10%電流進(jìn)行充電。
假設使用5.5V電源供應器對單顆1200mAh鋰離子電池進(jìn)行充電，在0.7℃快速充電電流時(shí)，且電池電壓為3V的條件下，可以預估IC運作的最大耗電量為，1.762W的耗電最大值，此一功耗會(huì )使得熱阻抗60℃/W的3×3毫米QFN封裝溫度溫升127℃，即便環(huán)境溫度0℃時(shí)，也已經(jīng)超過(guò)所允許的125℃硅芯片操作溫度最大值。若設定充電電流為0.6A(0.5C)，則可降低IC溫升為90度，可以操作于35度的環(huán)境溫度中，因此是較佳的設定電流。
由以上可以得知，快速充電穩流值和電源供應電壓的操作范圍，對于線(xiàn)性充電器相當重要。線(xiàn)性充電器的根本問(wèn)題在于操作時(shí)芯片溫度較高，使得設計時(shí)必須在充電電流和散熱機構之間做取舍。但往往線(xiàn)性充電器的應用范圍是需要輕薄要求的便攜式產(chǎn)品，多使用導熱性差的塑料外殼，亦不考慮金屬散熱片，最后產(chǎn)品設計者唯有降低充電電流并延長(cháng)充電時(shí)間，來(lái)?yè)Q取較低的操作溫度?；诳蓴y式產(chǎn)品使用者，希望能夠在1~2小時(shí)中完成充電，因此線(xiàn)性充電器通常比較適合 1500mAh以下的低容量鋰離子電池應用。若要應用于高輸入/輸出電壓差或高容量電池的充電應用，此時(shí)可以考慮應用同步交換式充電器。
圖6所示為鋰離子電池充電器的標準充電流程，首先充電IC偵測是否有輸出短路或是過(guò)載的保護模式，若系統一切正常接著(zhù)偵測電池初始電壓是否達到 3V以上，高于3V者就直接以快充模式進(jìn)行高電流充電，若電池低于3V者，進(jìn)入預充電模式，以快充的10%進(jìn)行充電，喚醒電池并避免電池損壞。在預充電階段，仍隨時(shí)偵測電池電壓，達到3V后可隨即切入快充模式。
圖6：鋰離子電池充電器的標準充電流程
在快充模式下，電池的電壓以較高速度上升，升高至4.2V時(shí)，切換至4.2V的定電壓充電，由電池本生的內阻進(jìn)行限流，此時(shí)充電電流就如同圖1的CV階段。隨著(zhù)時(shí)間過(guò)去，充電電流呈現指數曲線(xiàn)遞減，當到達設定電流ICHG的10%，即關(guān)閉充電器，同時(shí)指示充電完成。
然而，當電池故障時(shí)，電池可能無(wú)法儲存電能，電壓抑不會(huì )升高，所充入的能量轉變成熱，除了依靠過(guò)溫度保護機制之外，IC內部亦具有超時(shí)定時(shí)器，無(wú)論此時(shí)電池電壓狀態(tài)如何，只要超過(guò)設定充電時(shí)間后，隨即關(guān)閉充電器，以達到多重保護使用者之功能。
使用者亦有可能在充電或式充電完畢后，在未將電源移除的情況下，即抽離電池的情況。為避免造成危險，IC內部應具有如圖7, 8的電池存在偵測機制。充電IC會(huì )以短時(shí)間脈沖(每370ms產(chǎn)生2ms的脈沖)方式抽取電池電流，此時(shí)若電池存在，則偵測到的電池電壓應大于一預設閥值；若電池已切離，則充電IC偵測到一低電壓，即可判定為電池斷開(kāi)狀態(tài)，并將電池端電壓切斷，保護使用者安全。
圖7. 電池存在偵測機制
圖8：電池移除偵測機制
結論
鋰離子電池以其特有的性能優(yōu)勢已在可攜式裝置如筆記計算機、攝影機、移動(dòng)通訊中得到普遍應用。而新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設計的靈活性。同時(shí)，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了20%，其容量、與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池皆獲得改善。因此可以預見(jiàn)的是，未來(lái)鋰離子電池的充電器，亦朝向更快速的充電速率與更強健的系統保護能力為未來(lái)發(fā)展趨勢。
圖6：鋰離子電池充電器的標準充電流程
在快充模式下，電池的電壓以較高速度上升，升高至4.2V時(shí)，切換至4.2V的定電壓充電，由電池本生的內阻進(jìn)行限流，此時(shí)充電電流就如同圖1的CV階段。隨著(zhù)時(shí)間過(guò)去，充電電流呈現指數曲線(xiàn)遞減，當到達設定電流ICHG的10%，即關(guān)閉充電器，同時(shí)指示充電完成。
然而，當電池故障時(shí)，電池可能無(wú)法儲存電能，電壓抑不會(huì )升高，所充入的能量轉變成熱，除了依靠過(guò)溫度保護機制之外，IC內部亦具有超時(shí)定時(shí)器，無(wú)論此時(shí)電池電壓狀態(tài)如何，只要超過(guò)設定充電時(shí)間后，隨即關(guān)閉充電器，以達到多重保護使用者之功能。
使用者亦有可能在充電或式充電完畢后，在未將電源移除的情況下，即抽離電池的情況。為避免造成危險，IC內部應具有如圖7, 8的電池存在偵測機制。充電IC會(huì )以短時(shí)間脈沖(每370ms產(chǎn)生2ms的脈沖)方式抽取電池電流，此時(shí)若電池存在，則偵測到的電池電壓應大于一預設閥值；若電池已切離，則充電IC偵測到一低電壓，即可判定為電池斷開(kāi)狀態(tài)，并將電池端電壓切斷，保護使用者安全。
圖7. 電池存在偵測機制
圖8：電池移除偵測機制
結論
鋰離子電池以其特有的性能優(yōu)勢已在可攜式裝置如筆記計算機、攝影機、移動(dòng)通訊中得到普遍應用。而新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設計的靈活性。同時(shí)，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了20%，其容量、與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池皆獲得改善。因此可以預見(jiàn)的是，未來(lái)鋰離子電池的充電器，亦朝向更快速的充電速率與更強健的系統保護能力為未來(lái)發(fā)展趨勢。
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