摘  要： 单体锂离子(Li-Ion)电池充电器的设计过程中必须权衡多方面因素：解决方案尺寸、USB标准、充电速率和成本等。将介绍不同的充电拓扑结构，并研究电池充电器IC的一些特性。此外，还将探讨一个现有的应用解决方案。
关键词： 锂离子电池；充电周期；USB

　单体锂离子(Li-Ion)电池充电器的选项有很多种。随着手持设备业务的不断发展，对电池充电器的要求也不断增加。为完成这项工作而选择正确的集成电路 (IC)必须权衡几个因素。在开始设计以前，需考虑解决方案尺寸、USB标准、充电速率和成本等因素，并将这些因素按照重要程度依次排列，然后选择相应的充电器IC。本文将介绍不同的充电拓扑结构，并研究电池充电器IC的一些特性。此外，还将探讨一个现有的应用解决方案。
锂离子电池充电周期
    锂离子电池要求专门的充电周期，以实现安全充电并最大化电池使用时间。电池充电分两个阶段：恒定电流(CC)和恒定电压(CV)。电池满电之前，电流经过稳压进入电池。在CC模式下，电流经过稳压达到两个值之一。如果电池电压非常低，则充电电流降低至预充电电平，以防止电池损坏。该阈值因电池化学属性而不同，一般取决于电池制造厂商。一旦电池电压升至预充电阈值以上，充电便升至快速充电电流电平。典型电池的最大建议快速充电电流为1C(C=1 h内耗尽电池所需的电流)，该电流取决于电池制造厂商。典型充电电流约为0.8C，目的是最大化电池使用时间。对电池充电时，电压上升。一旦电池电压升至稳压电压(一般为 4.2 V)，充电电流逐渐减少，同时对电池电压进行稳压以防止过充电。在这种模式下，电池充电时电流逐渐减少，同时电池阻抗降低。当电流降至预定电平(一般为快速充电电流的10%)时终止充电。一般不对电池浮充电，因为这样会缩短电池使用寿命。图1所示为典型的锂离子电池充电周期。

线性解决方案与开关模式解决方案对比
    将适配器电压转降为电池电压并控制不同充电阶段的拓扑结构有两种：线性稳压器和电感开关。这两种拓扑结构在体积、效率、解决方案成本和电磁干扰 (EMI) 辐射方面各有优缺点。
    一般来说，电感开关是获得最高效率的最佳选择。利用电阻器等检测组件在输出端检测充电电流。充电器在CC模式下时，电流反馈电路控制占空比。电池电压检测反馈电路控制CV模式下的占空比。根据特性集的不同，可能会出现其他一些控制环路。电感开关电路要求开关组件、整流器、电感和输入及输出电容器。就许多应用而言，通过选择一种将开关组件和整流器都嵌入到IC中的器件，可以缩小解决方案的尺寸。根据不同的负载，这些电路的典型效率为80%～96%。开关转换器因其电感尺寸一般会要求更多的空间，同时也更加昂贵。开关转换器还会引起电感 EMI 辐射以及开关带来的输出端噪声。
    线性充电器通过降低旁路组件的输入电压来降低DC电压。优点是解决方案只需要3个组件：旁路组件和输入、输出电容。相比电感开关，线性压降稳压器(LDO)通常为一款低成本、低噪声的解决方案。通过稳压旁路组件的电阻来限制进入电池的电流，从而对充电电流进行控制。电流反馈一般来自充电器IC的输入。对电池电压进行检测，以提供CV反馈。改变旁路组件的电阻来维持进入IC输入端的恒定电流或者恒定电池电压。器件的输入电流等于负载电流。这就是说解决方案的效率等于输出电压与输入电压的比。LDO 解决方案的缺点是高输入输出电压比时（即低电量情况）效率较低，所有功率都被旁路组件消耗掉，因此对于输入输出差较大的高充电电流应用来说，LDO并非理想的选择。这些高功耗应用散热要求高，从而增加了解决方案的尺寸。
    功耗及温升计算公式如下：
    
其中，η为充电器的效率，而POUT=VOUT×IOUT。利用热阻，可以计算得到功耗带来的温升。每种应用的热阻都不同，取决于电路板布局、气流和封装等具体参数。因此应该针对终端应用电路板对热阻建模。

拓扑选择
    对于一些小型应用来说，需要研究的第一个参数是充电电流。例如，充电电流介于 25 mA～150 mA之间的蓝牙耳机最佳解决方案是线性充电器。这些应用一般都具有非常小的体积，无法为开关的更多组件提供额外空间。另外，由于其非常低的功耗要求，功耗带来的温升可以忽略不计。
    对于手机应用来说，充电电流一般在 350 mA～700 mA。在这种范围中，很多时候线性解决方案仍然非常有效。由于它们通常都为低成本手机，其成本压力更大，因此线性充电器便成为一种理想的解决方案。智能手机应用的电池体积较大，且充电电流需求大于1.5 A，这时使用开关解决方案则更加合理。1.5 A电流条件下温升会非常大。
    例如，使用一个线性充电器通过5 V适配器对一块3.6 V电池充电时，效率为72%。首先，这个效率听起来似乎不太坏。如果从功耗的角度来分析，这种应用消耗的功率约2 W。在一个热阻为 40 ℃/W的应用中，芯片温度上升80 ℃。在 40 ℃环境温度下，电路板温度会上升至 120 ℃，这对手持设备来说是不可接受的。在极低电池电压（即 3 V）下，这一问题甚至会变得极端严重，温度将升至120 ℃。
    反观相同条件下的开关解决方案，使用一个单体电池IC充电器时，效率上升至约85%。使用一块3.6 V电池时，功耗低于1 W，从而带来40 ℃的温升。3 V时这种改善更加明显。假设3 V输出时的效率为80 %，则功耗低于800 mW，因此温升会更低（约32 ℃）。这些智能手机的体积一般可以容许稍大一点的解决方案，并且能够承受开关模式解决方案相关的稍许成本增加。
为任务选择正确的IC
    在完成初步热分析并且选好充电器拓扑以后，便可以选择应用最佳的IC。新型的电池充电器解决方案集成了许多特性，可以利用它们改善系统的性能。诸如输入过压保护、电源路径管理(PPM)、VIN_DPM、散热稳压、负温度系数热敏电阻(NTC)监测和USB充电等特性，都被集成到许多电池充电器IC中。大多数单体电池充电器解决方案都已将要求FET集成到了器件中，旨在节省电路板面积。
输入过压保护（单输入与双输入对比）
    在当今的市场上，USB电源已经成为最为常见的电源，因此通过USB电源充电已经成为一种必然性。市场已经从使用专门AC适配器和单独USB接口的初始双输入转变为将一个USB接口既作为墙上电源适合器接口使用，也作为使用相同线缆的USB数据输入接口的单输入解决方案。这样便导致一种从双输入解决方案向单输入解决方案的转移。单输入在接口方面存在许多挑战。由于市场上存在如此多的适配器解决方案和一种通用接口，输入端必须能够在无损坏的情况下承受更高的电压。由于电池充电器始终连接到输入端，因此充电器对所有下游电路实施过电压状态保护是有道理的。为了实现这一功能，市场上出现了许多能够承受20 V，甚至30 V电压的解决方案。另外，这些器件都具有过电压保护(OVP)电路，其在输入超出OVP阈值时阻止器件运行。这样便进一步保护了下游电路，使其免受潜在的瞬态过电压状态损坏。
    目前，随着绿色输入（即太阳能电池）或无线充电的出现，应用又再一次向双输入要求转移。根据具体的应用要求，两种配置结构都可以使用。
电源路径管理/最小系统电压
    电池充电器的一般方法是将系统直接连接到电池，让充电器同时为电池和系统供电，然后对系统的总电流进行稳压。这样做存在几个问题，特别是低电池电量启动、终止干扰和早期计时器超时等问题。电源路径管理通过对电池电流和系统电流进行分别监测，消除了这些问题。
最低系统电压
    使用传统方法时，系统电压始终与电池相同。因此，电池深度放电时，在电池充电到某个可用电平以前系统都不会启动。利用PPM可对系统电压单独稳压，将其与电池电压区分开来。这就意味着可以实现最低系统电压，且与电池电压无关。对用户而言，这就意味着连接适配器的同时即可使用设备，假设条件是其具有足够的功率来驱动系统。
更短的充电时间
    由于系统电流和充电电流是单独编程的，因此可以使用适配器的满功率，其与电池的容量和充电电流的大小均无关。传统拓扑结构中，充电器的输出电流必须设定为最大充电电流，以应对无负载的情况。当系统中有负载时，由于系统吸收可用电流，有效充电电流降低。例如，一个使用900 mA适配器和500 mA镍氢电池的系统，使用传统方法可以编程500 mA的充电电流。如果系统负载为200 mA，有效充电电流仅为300 mA，充电时间几乎延长一倍。如果使用PPM来研究这一相同案例，输入电流限制设定为900 mA。这样便允许全部 500 mA充电电流，且拥有高达400 mA的额外系统电流。
终止和早期计时器超时
    在对总电流进行稳压的传统系统中，电流在电池和负载之间共用。如果系统负载足够大到从电池拉取充电电流，且在计时器超时以前电池不充电，则计时器会出现伪超时。另外，如果系统电流绝对不会降至设定终止电流以下，则永远不会终止。电源路径管理通过单独监测充电电流，并动态地使用可稳压计时器(通过减少充电电流进行稳压)，防止这些条件出现。就终止问题而言，单独对充电电流进行监测可让终止条件测定变得容易。
基于输入电压的动态电源管理(VIN-DPM)
    为了防止出现输入源超负载的欠压状态，一些器件实施了基于输入电压的动态电源管理(VIN-DPM)。这种环路降低输入电流限制来防止输入崩溃。VIN-DPM环路对输入电压进行有效的稳压，实现最大化电源的电流。图2显示了在无VIN-DPM保护的情况下USB端口的超负载结果。需注意的是，输入电压降至电源状态良好阈值以下时，充电器关闭。这样便关闭了电源负载，并允许输入电压恢复，从而开启充电器。这种开/关脉冲的发生是设计中需要极力避免的。

    VIN-DPM通过限制输入电流阻止脉冲发生，从而防止输入源崩溃。图3显示了超负载USB端口的结果。VIN-DPM功能开始生效，降低输入电流限制，从而防止输入源崩溃。

NTC监测（包括JEITA）
    通过充电期间的监测防止电池组损坏甚至爆炸，此时电池温度极为关键。一般通过对集成到电池组中或者靠近系统板上电池组安装的NTC热敏电阻进行监测来完成这项工作。许多充电器都具有集成到IC中的NTC监测功能。如果电池温度处在非安全温度下，则这些IC便对温度和禁用充电电流进行监测。
    一种新兴的电池充电标准是日本电池温度标准 (JEITA)，这种标准规定了一些需降低充电电压或者电流以提供更安全运行的中间温度。该JEITA标准在许多充电器IC中也很容易实施，例如，单输入单体锂离子电池充电器集成了一种无需主机关联的独立解决方案。对于NTC受主机监测的系统来说，许多IC都提供了非常简单的实施。I2C接口允许用户动态地改变充电电压和充电电流，使用具有这种接口的充电器时，主机根据电池温度来修改充电参数。这种方法在没有硬件改动的情况下，在为不同平台和电池设置要求的温度阈值方面拥有一定的灵活性。
USB充电标准
    USB充电时，可以使用许多充电器IC，它们都结合了USB100和USB500电流限制。通过USB充电器输出运行所有下游电路，让广大设计人员能够确保不超出USB电流限制。
额外功率输出
    随着USB充电的流行，许多应用都要求一个USB PHY或者USB收发器与主机通信。因此，这些器件通常直接连接到VBUS电源，从而要求过电压保护。因此，许多充电器IC都集成了一个连接电源并通过电源供电的5 V LDO。每当连接一个有效电源时，这种输出便有效。5 V LDO稳压电压保护USB电路免受未稳压适配器和其他过电压状态的损害。
    设计单体锂离子电池充电时必须对诸如充电电流、可用空间、USB标准、成本和特性集等要求进行研究，以选择最佳的解决方案。首先按照重要程度把这些要求排列出来，然后选择最适合这些要求的拓扑结构。同时一定要考虑散热因素，最后为每种输出选择最具成本效益的解决方案。