鉅大LARGE | 點擊量：602次 | 2021年12月08日
支持熱調節和輸入過壓保護的鋰離子電池充電器
1電池的充電要求
充電曲線適用于鋰離子電池充電，它包括3個充電階段：預充階段、快充恒流(CC)階段、恒壓(CV)終止階段。在預充階段，在電池電壓低于3．0V時，電池以較低速率充電。通常情況下，當電池電壓達到3．0V，充電器就會進入CC階段。快速充電階段CC通常限制在1C電池額定值以下。假如充電率超過1C，那么電池使用壽命就會縮短，因為節點上積存的金屬鋰會與電解質發生反應，造成永久損失。最后，充電器會進入CV階段，這時它將保持峰值電池電壓，并在充電電流下降到預含義大小時終止充電。
電池容量是電池電壓的函數，電壓越高，容量就越大。不過，假如電池電壓升高，就會導致電池使用壽命縮短。例如，假如用4.3V電壓給電池充電，那么容量就會提高lO％，但電池使用壽命會縮短一半。另一方面，假如電池充電不足，比理想電壓狀態低40mV，那么容量就會降低約8％。因此，非常精準的電池充電電壓至關重要。
2支持輸入OVp的熱調節電池充電器
圖1為支持熱調節和輸入OVp的低成本單獨線性電池充電器電路。該充電器能將適配器的DC電壓降到電池電壓水平。線性充電器的功耗計算公式：
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
充電器從預充階段轉向快充模式時，輸入電壓與電池電壓之間有較大差值，這時功耗會達到最高。例如，假如用5V適配器來給1200mAh鋰離子電池充電，那么在1A充電電流與3．2V電池電壓下的最大功耗為1．8W。假如采用3mmx3mmQFN封裝，熱阻抗為47℃/W，這樣的功耗會造成85℃的溫度提升。在45℃環境溫度下，結溫超過125℃的工作溫度極限。在充電開始階段，很難將結溫控制在安全散熱范圍內。隨著電池電壓在充電階段不斷升高，功耗也會下降。充電進入CV模式后，功耗會進一步下降，而充電電流也開始下降。
如何改進設計才能確保充電器在安全散熱范圍內正常工作呢?更高級的電池充電器(如bq2406x與bq2403x)引入了熱調節環路，可防止充電器過熱。內部芯片溫度達到預含義的溫度閾值后(如110℃)，器件溫度只要進一步提升就會使充電電流下降。這有助于限制功耗，并為充電器供應熱保護。使IC結溫升高到熱調節的最大功耗取決于pCB板布局、散熱通孔的數量以及環境溫度。從圖2看出，1．2s之后，熱環路會在2s內將有效充電電流從1.2A降至600mA。
熱調節通常在快充早期階段進行，不過假如在CV模式下器件仍然工作的話，充電電流會過早達到充電終止閾值。為了防止充電誤終止，只要散熱調節回路在工作，電池充電終止功能就會被禁用。此外，降低有效充電電流會延長電池充電時間，假如充電安全計時器有固定設置的話，就會過早終止充電。bq2406x采用動態安全計時器控制電路，能在熱調節階段有效延長安全時間，并盡可能降低安全計時器的故障率。從圖3中可以看出，熱調節模式下安全計時器的響應與有效充電電流成反比。
啟用電池充電功能后，內部電路會生成與ISET引腳設置的實際充電電流成正比的電流。電阻器RSET上生成的電壓反映的是充電電流。該電壓可由主機監控，以獲取充電電流信息。
為鋰離子電池充電的適配器有很多種。低價位適配器的穩壓輸出可能不太理想，空載下的輸出電壓也高于正常負載情況。此外，在電池熱插人情況下，充電器輸入電壓會達到適配器電壓的兩倍，這是由線纜電感和電池充電器輸入電容間的共振造成的。為了在輸入電壓高于預含義閾值時提高安全度，bq2406x充電器的輸入OVp功能將禁止充電。
LDO模式(TMR引腳開路時)可禁止充電終止電路或電池檢測電路工作。并將安全按時器時鐘保持在復位狀態。該模式通常用于無電池或正在進行測試的工作環境。
許多應用都要求在電池充電同時給系統供電。如圖l所示，系統直接連接到電池充電輸出，系統和充電器間的相互影響會使安全計時器生成錯誤充電終止信息。圖4為能夠解決上述問題的典型應用電路。這里有兩個獨立的電源路徑，一個給電池充電，另一個給系統供電。假如AC適配器不可用，那么電池放電MOSFET在R4和C2設置的時間延遲之后就會打開，這樣電池就能給系統供電了。
3總結
支持熱調節功能的線性電池充電器能顯著提高散熱設計與安全性。利用輸入OVp機制，只有經過認可的適配器才能給電池充電，從而提高系統安全性。
