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提升移动设备充电效率,线性锂电池充电IC作用明显
由于下一代电池的开发速度至今仍跟不上摩尔定律的步伐,所以须要可以提供更好性能、高度整合且功能丰富的积体电路(IC)。为了简化新系统的开发,学习如何使用此类IC进行设计非常重要。
电池通常可以将化学能转化为电能或电压,因此如果某种电池的能量可以恢復,则该电池是二次电池或可充电电池。在行动装置的应用中常用的电池是镍氢(NiMH)电池和锂离子(Li-Ion)电池。如表1所示,与镍氢电池相比,锂离子电池具有更好的特性。例如,每节电池的标準电压更高、自放电率更低、品质能量密度与体积能量密度更高,这使它们对于有需求的应用上更具吸引力。
减少设备成本与重量 单节电池优势更显着
如果设计人员在使用锂离子电池时保持谨慎,其实是相当安全的。表2列出了锂离子电池供电系统的一些典型应用。单节和双节电池应用占据了大约70%的锂离子电池市场。在小工具、数位摄影机和类似设备的设计中,最新的趋势要求减少设备体积、成本和重量,这促使一些双节电池应用转变为单节电池应用。需要叁节镍氢电池的设备,其电池可用单节锂离子电池替代。而减少系统中电池数量的其中一个优点是,可以省去为了平衡多节电池所需的额外工作。
透过广泛应用的通用序列匯流排(USB),锂离子电池可以使用大多数电脑上的USB埠进行充电。USB协定的标準电压为5伏特(V),这使USB协定对于单节锂离子电池应用极具吸引力。USB规範规定,主机或集线器的电压降範围为4.75~5.25V,且主机和集线器的连接器的电压不允许低于4.45V。锂离子电池的典型充电演算法是恆流与恆压(CC/CV)演算法。在每节电池的充电电压达到4.2V时,充电器会维持恆压,直到满足终止条件。应当仔细地设计电池的电压(有一定的误差範围),以避免充电提前终止和产生危险。此一USB电压範围非常适合于简单的步降充电器设计,这种设计的锂离子电池稳压典型值为4.2V。
低压差转换器与交换式转换器比较
目前两种常用的步降拓扑是线性,即低压差转换器(LDO)和交换式(降压)转换器。理想情况下,交换式拓扑的效率可达到100%。在考虑功率损耗之后,效率可能会降到85%与95%之间。公式1可用于计算LDO的效率。当IGND远小于IOUT时,可以忽略它。因此,基于LDO的锂离子电池充电器的效率可以简化为VOUT与VIN的比,如公式2和3中所示。
。。。。。。公式1
。。。。。。公式2
。。。。。。。公式3
此外,在典型的恆流(CC)充电模式期间,效率会从60%上升到84%。对于恆压(CV)充电模式,效率将保持在84%。因而,当输入电压约为5V时,在单节锂离子电池充电器设计中,LDO拓扑可良好地工作。由于省略了电感器,LDO拓扑还可降低成本,并且可避免与交换式拓扑有关的EMI难题。但是,如果需要高于1A的快速充电电流,则应考虑交换式拓扑。公式4给出了一个对此进行说明的功耗计算公式。
PDISSIPATION=ICHARGE×(VIN–VOUT) =2A(5V–3V)=4瓦。。。。。。公式4
在此一範例中,选择的电池充电电流为2安培(A)、电池电压为3V,以说明CC模式下的最坏情况。选择的输入电压为5V,以简化计算。在设计系统时,应考虑误差最大的情况。即使是对于额定热阻为35℃/瓦(W)的4毫米(mm)×4毫米QFN封装,也很难散去4瓦的功耗,如公式5所示。
35℃/瓦×4瓦=144℃。。。。。。公式5
当室温为25℃时,加上144℃会使系统中的温度达到169℃。169℃的温度超出了晶片的典型过温关断阀值。对于良好设计的锂离子电池充电管理IC,应包含温度回馈电路,在温度开始上升到阀值时降低充电电流。
低阶线性锂离子电池 充电器成本低
低阶线性锂离子电池充电器通常成本很低,接脚数很少,且只需要很少的被动元件。它们通常採用诸如SOT-23、MSOP和DFN之类的封装。随着半导体技术的成熟,大多数低阶线性电池充电器都进行了完全整合。典型的接脚数介于5~10接脚之间。
对锂离子电池进行安全充电通常是低阶充电器的基本目标,也是唯一目标。如图1所示,简单的电池充电器只须要使用一个5接脚个元件,为正常工作,最少需要叁个元件,即一个输入电容、一个输出电容和一个可程式化的电阻器。
图1 典型的低阶线性锂离子电池充电器
此外,可能还有其他接脚,用于额外状态指示、电源状况指示、电池温度监视、计时器和逻辑电流控制之类的功能。
左右单节锂离子电池充电效能 USB埠设计良莠至关重要
除连结周边与电脑外,USB协定还能以较低成本实现高速传输。通过USB埠将设备和周边与电脑进行连接已成为最流行的方式。USB的电压範围为4.75?5.25V,非常适合用于恢復单节锂离子电池或电池组的能量。目前有许多方法可用于对单节锂离子电池进行充电。表3即列出了基于USB埠设计单节锂离子电池充电器的一些基本方法。
首先第一种方法採用低功率USB埠来提供固定充电电流。该方法最终的电流通常低于低速USB埠的绝对最大电流(即100mA)。由于电阻容差、充电电流和电源电流的塬因,该充电电流通常低于90mA。该方法只是简单地将USB埠作为额定参数为5V、100mA的电源。为了利用高速USB埠,可使用外部金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)在闸极驱动,为低电位或高电位时设置两种不同的充电电流。高速USB埠允许的绝对最大电流为500mA,但USB埠通常是以低速启动,直到完成验证为止。
通过可设置两种不同充电电流的整合MOSFET,可简化这种设计,并通过它可提供预设的充电电流,或以可程式电阻器设计充电电流。如图2所示,该示範提供了叁种不同的充电电流设置,并可在墙式电源适配器和USB埠之间无缝的切换。存在墙式电源适配器时,最大充电电流可很容易超过高速USB埠的500mA。
图2 双输入锂离子电池充电器架构图
当只有USB电缆时,充电电流将取决于MOSFET的闸极驱动电流为逻辑高电位还是低电位。一些设计只须要一个输入电源,但可通过介面之间的通讯来设置不同的输入类型。通常,出于与低速USB埠相同的塬因,而高速USB埠的预设USB充电电流会低于450mA。为了安全考虑及满足USB规範,正确的设计方法还应限制来自USB埠的输入电流。
高整合度电源轨控制添臂力 电池充电器实现无缝切换
随着现今行动装置功能越来越多,对于电池管理的需求也不断增长。在空间受限的应用中,高度整合的电源轨(Power Rail)控制可以大幅提升设计人员的便捷性,使每一个电源轨都具备良好的管理,以便在输入电源路径、系统负载和电池之间无缝地进行切换。
如图3所示,为锂离子电池充电器的典型应用电路。具有系统负载平衡和电源路径管理功能,可在不同电源轨之间切换。使用该设计一个优点是可对每个电源轨进行管理,并当输入电压不足以保持输出电压稳定时,电池将处于支援模式。有时,除恢復电池能量外,还提供诸如低电量指示或控制、电源选择之类的附加功能。
图3 系统负载平衡锂离子电池充电器架构图
电池充电器其他功能
随着锂离子电池日益广泛使用,安全和功能需求也不断上升。这些需求可能来自推行无危害设计指南的组织、当地的管理法规或政策、区域产品製造商偏好、电池製造商规範、设计人员的经验水準或终端用户的习惯等因素。而常见的功能包括用于每个充电阶段的计时器、输入过电压保护、通讯 [p] 协定、多个稳压输出通道,以及电池认证等。
如图4所示,该图说明单节锂离子电池充电器的输入过电压保护功能。当输入电压超出保护阀值时,输出充电电流会终止,然后当输入电压下降到设计範围内时,输出充电电流会恢復(图5)。对于行动装置而言,从2006年12月开始,该功能已列入可携式通讯设备充电器的必要技术及测试项目。
图4 在输入过电压保护启动时充电电流终止
图5 充电电流恢復
另一方面,通过限制线性电池充电器的输入电压,可以防止终端用户因为错误使用墙式电源适配器,并防止产生尖峰电压。如公式4所示,假设充电电流为1A,如果输入和输出电压(电池电压)上升,则功耗也会上升。因此,当输入电压和电池电压之间的电压差上升到4V时,功耗将为4瓦。
PDISSIPATION=ICHARGE×(VIN–VOUT)
PDISSIPATION=1A(7V–3V)=4瓦
绿色技术永远都是热门话题,而工程师和科学家总是努力不懈地改善现有的设计,为社会提供更好的解决方案。锂离子电池可做为燃料电池、太阳能电池、水力发电和风力发电的储存、后备或支援性能源。而高度整合的线性解决方案则可以克服低功率设计中的障碍。在须要考虑智慧、效率或功耗问题时,设计人员应全面地研究其解决方案,在可用平台之间进行权衡。值得注意的是,在设计电池或任何电源系统时,安全性绝对是优先考虑因素。
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