如何更有效地为便携式设备的锂离子电池充电IC

在集成功能和不断缩小的外形尺寸的推动下，对蜂窝电话、PDA和便携式DVD播放器等便携式设备的需求在过去几年中大幅增长。电源已迅速成为技术进步的瓶颈，电池功率密度的提高跟不上需求。锂离子（Li-Ion）电池因其在重量法和体积法上的高能量密度而被广泛采用。为了实现更长的系统运行时间和更小的尺寸，越来越多的系统设计人员发现，利用先进的电路拓扑来提高系统的功率转换效率已不再足够。电池充电已成为另一个需要关注的领域，以最大限度地提高电池容量并延长其服务周期寿命。线性充电IC以其合理的成本和小尺寸的优点，适用于低容量电池充电应用。随着便携式设备对功率需求的不断增加，线性电池充电IC由于其高功率耗散而不再足以满足充电要求。本文介绍了一种MHz同步开关电池充电IC以及高效充电并延长电池循环寿命的设计考虑因素。

如何为锂离子电池充电

图1显示了推荐用于锂离子电池的常用充电曲线。大多数专用的锂离子充电集成电路芯片都设计为以这种方式为电池充电。锂离子电池的充电包括三个阶段：预充电;快速充电恒流;和恒压（CV）端接。在预充电阶段，当电池电压低于3.0V时，电池以低速率（典型值为快速充电速率的1/10）充电。这提供了钝化层的回收，钝化层在深度放电状态下长时间储存后可能会溶解。当阳极短路电池上出现部分铜分解时，当过放电时，它还可以防止在1C充电时过热。当电池电压达到3.0V时，充电IC进入CC相位。

图1：锂离子电池充电曲线

快速充电电流应限制在1C速率（0.7°C速率），以防止过热和由此引起的加速退化。然而，专为高功率能力而设计的电池可以允许更高的充电速率。应选择速率，以使电池温度在充电结束时不超过50°C。电池以快速充电速率充电，直到电池达到电压调节极限（典型值为4.2 V/节，但基于焦炭的阳极锂离子电池为4.1V）。充电IC开始调节电池电压并进入CV阶段，同时充电电流呈指数级下降到定义的终止电平。然而，输出电压调节精度对于最大化电池容量和延长其使用寿命至关重要。电池电压调节精度越低，意味着电池充电不足，导致电池容量大幅下降。如果电池充电不足1%，电池将失去约8%的容量。另一方面，电池电压调节精度的降低也意味着电池过度充电，从而缩短了电池的使用寿命。为了安全地为锂离子电池充电，它只允许在环境温度在0°C至45°C之间启动对电池充电。 在较低温度下为电池充电会促进金属锂的形成，从而增加电池阻抗并导致电池退化。另一方面，由于促进Li电解质反应，在较高温度下充电电池会导致加速降解。这就提出了市场对便携式设备更准确、高效和安全的电池充电的需求。

低成本独立线性电池充电IC

许多IC制造商正在通过为低功耗便携式设备开发低成本线性电池充电IC来满足市场对更精确，更安全的电池充电的需求。图2所示为一种低成本独立线性电池充电IC电路，该电路使用很少的外部元件。

图2：低成本独立线性电池充电IC图

充电IC只需将适配器的直流电压降至电池电压即可。调整元件两端的功耗等于适配器电压减去电池电压乘以充电电流，充电电流由下式给出

如果使用5V适配器为1200mAh或2200mAh单节锂离子电池充电，则图3显示了其功耗，具有0.7C速率的快速充电电流。当电池从预充电阶段过渡到快速充电阶段时，它的最大功耗分别为1.68W和3.0W。对于热阻为47°C/W的3mmX3mmQFN封装，3.0瓦时的功耗可使温度升高141°C。这绝对超过了25°C环境温度下的最大125°C硅结工作温度。快速充电电流调节和交流适配器电压的容差在线性充电IC中也非常重要。如果调节容差松动，则调整晶体管和封装将需要超大尺寸，从而增加尺寸和成本。线性充电IC的基本问题是其高功率耗散。必须在充电系统的充电电流、尺寸、成本和热要求之间进行权衡。因此，线性充电IC通常适用于低容量（小于1300mAh）锂离子电池应用，因为它们具有出色的尺寸，成本考虑和散热问题。如何解决高容量电池组或高输入输出电压差应用的热问题？答案是高效同步开关电池充电IC。

图3：线性电池充电IC的功耗

具有集成功率MOSFET的高效率MHz同步开关电池充电IC同步开关模式充电解决方案通常用于具有高输入至输出电压差的应用或高容量电池组。
对于2200mAh锂离子电池组，使用线性充电IC以0.5°C至1°C的快速充电速率从汽车适配器（12V）为单节电池充电是极其困难的。 可以使用具有热调节功能的线性充电IC，但是在降低的充电速率下，充电周期时间将非常长。

图4所示为一款独立的高效率同步开关降压电池充电IC，充电电流高达2A，适用于DVD播放器和智能手机等便携式设备。它采用1.1MHz开关频率电压模式控制架构和内部III型环路补偿器，以最大限度地减少外部元件。为了进一步减小电池充电IC尺寸，该器件在PWM控制器中集成了两个功率MOSFET，采用小型4mm×4mm封装。功率MOSFET Q1和Q2以优化的死区时间互补接通和关断，以优化高开关频率下的效率。当用于高端N-MOSFET栅极驱动器时，Q1用作P沟道MOSFET，以省去一个外部升压带电容器和一个二极管，并且当输入电压非常接近电池电压时，通过完全接通Q1，也很容易实现100%的占空比。根据反馈控制环路控制，控制导通和关断时间以调节电池充电电流（CC相位）或电池电压（CV相位）。该充电器具有高度集成的功能，可安全、健康地为锂离子电池充电。它能够编程预充电电流，快速充电电流，充电电压，充电定时器，电池温度监控，自动充电，短路和过温保护。电路参数设计符合以下规格，如以下设计示例所示。

1. 适配器直流电压：12V
2. 两节锂离子电池组：4.2V/节，1900mAh/节
3. 预充电电流：IPRE-CHG=133mA
4. 快速充电电流：ICHG=1.33A
5. 充电时间限制：tCHG = 5小时
6. 启动充电温度范围：T= 0°C-45°C。

图4： 1.1MHz独立同步开关电池充电IC

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