兆赫同步开关电池充电器的应用

随着器件集成度的提高和尺寸的缩减，手机、PDA 及便携 DVD 播放器等便携设备的市场需求增长迅猛。电池功率密度的提高成为技术进步的瓶颈，而锂离子电池在该方面的优势使其得到广泛应用。为了延长系统运行时间并降低器件尺寸，系统设计人员开始意识到利用电路拓扑提高系统功率转换远不能解决问题。电池充电已成为提高电池容量并延长使用寿命的重要方案。线性电池充电器成本合理、尺寸小，适用于低容量电池充电应用。但线性电池充电器由于功耗较高，已不能充分满足充电需求。本文主要介绍兆赫同步开关电池充电器以及有效充电并延长电池使用寿命的设计考虑事项。

锂离子电池充电
大部分专用锂离子充电集成电路 (IC) 都是通过所示的方式充电。锂离子电池的充电过程由三个阶段组成：预充电、恒流 (CC) 快速充电以及恒压 (CV) 终端 (Termination)。在预充电阶段，以低速率（一般是快速充电率的 1/10）对电池充电，这时的电池电压低于 3.0V。这样可以实现对钝化层的恢复 - 钝化层在深度放电状态下存储时间过长会分解。另外，还可以在发生阳极短路的过充电电池出现部分铜分解的情况下防止 1C 充电过热。在电池电压达到 3.0V 时，电池充电器进入 CC 阶段。

快速充电电流应当限制在 1C 速率（0.7C 速率），以防止过热以及因而造成的加速降质。不过，为高功率容量设计的电池可以容许更高的充电率。应当合理选择充电率，使电池温度在充电结束时不超过 50 C。电池以快速充电率充电，直到达到稳压极限（一般是 4.2V/电池，不过碳素 (coke-based) 阳极锂离子电池为 4.1V）。然后，在充电电流以指数方式降低到预定义终端电平时，电池充电器开始调节电池电压并且进入 CV 阶段。输出稳压是提高电池容量和延长使用寿命的关键。较低的稳压会造成电池充电不足，进而造成电池容量大幅降低。充电不足 1％ 电压时，电池即损失大约 8％ 的容量。较低的电池稳压也会造成电池过充电，从而缩短电池使用寿命。为了安全地对锂离子电池充电，仅允许环境温度在 0～45 C 之间。在更低温度时充电会形成金属锂，从而提高电池阻抗并造成电池降质。在更高温度时充电会由于锂电解反应而造成加速降质。

低成本独立线性电池充电器

许多IC 制造商通过开发用于低功耗便携设备的低成本线性电池充电器来满足市场对更和更安全充电的需求。图 2 就是一种采用更少外部组件的低成本独立线性电池充电器电路结构图。

 

这种电池充电器简便地把适配器的 DC 电压降低到电池电压。导通元件上的功率等于适配器电压减去电池电压再乘以充电电流，如下式所示：

如果采用 5V 适配器对 1200mAh 或 2200mAh 单体锂离子电池充电，则图 3 说明 0.7C 充电率快速充电电流情况下的功耗。

在电池从预充电向快速充电阶段过渡时，功耗分别为 1.68W 和 3.0W。对于具有 47℃/W 热阻的 3 3mmQFN 封装而言，3.0W 的功耗会造成 141℃ 的温度升高。这肯定会超过 25℃环境温度时的 125℃硅芯片接点工作温度。快速充电电流调节和 AC 适配器电压容差在线性电池充电器中同样至关重要。如果稳压容差较宽松，则导通晶体管和封装需要更大的尺寸，从而增加尺寸和成本。线性电池充电器的主要问题是其高功耗。必须对充电系统的充电电流、尺寸、成本和散热需求做出取舍。因此，由于其突出的尺寸、成本和散热问题，线性电池充电器一般适用于低容量（低于 1300mAh）锂离子电池应用。那么，如何解决高容量电池组或高输入-输出压差应用的散热问题？答案是高效率同步开关电池充电器。

兆赫同步开关电池充电器

同步开关式充电解决方案一般用于具有高输入-输出压差的应用或者高容量电池组。对于 2200mAh 锂离子电池组，很难采用线性电池充电器通过车载适配器 (12V) 在 0.5C～1C 的快速充电率情况下对单体电池充电。虽然可以采用具有散热调节功能的线性电池充电器，但是低充电率情况下的充电时间过长。

图 4 说明适用于 DVD 播放器和智能电话等设备的充电电流达到 2A 的独立高效同步开关降压电池充电器。

它采用1.1MHz 开关频率电压模式控制架构，利用内置III型环路补偿器降低外部组件数量。为了进一步降低电池充电器尺寸，它在4 4 mm小型封装的 PWM 控制器中集成了两个功率 MOSFET。功率 MOSFET Q1 和 Q2 交替关闭，具有的停滞时间，以优化高开关频率时的效率。Q1 用作 P 通道 MOSFET，在用于高侧 N-MOSFET 栅极驱动器时可以消除外部自益放大电容器 (boost strap capacitor) 和二极管。另外，通过完全打开 Q1，在输入电压非常接近电池电压时，易于实现 100％的占空比。打开和关闭时间处于受控状态，从而可以根据反馈控制环路调节电池充电电流（CC 阶段）或电池电压（CV阶段）。电池充电器具有高度集成的功能，能够安全、高效地对锂离子电池充电。它可以编程预充电电流、快速充电电流、充电电压、充电定时器、电池温度监控、自动再充电、短路和过热保护。电路参数设计用于下述设计示例中的以下规格。

适配器 DC 电压：12 V

双体锂离子电池组：4.2 V/电池，1900mAh/电池

预充电电流：IPRE-CHG=133 mA

快速充电电流：ICHG=1.33 A

充电时间限制：tCHG = 5-hour

开始充电的温度范围：T= 0℃～45 C。

由于电池充电器的尺寸对便携设备极其重要，因此需要采用尽可能小的输出电感器。对于给定的电感器纹波电流，所需的电感由下式得出：

式中，f_{s}和 DIripple,L 分别是开关频率和电感器纹波电流。在上式中代入VIN=12V、VBAT=6.0V（3.0V/电池）、
Iripple,L=30％ICHG、ICHG=1.33A以及fs=1MHz ，可以得出L=7.5 H。可以选择L=10 H的屏蔽电感器。请注意：屏蔽电感器在把磁通量限制在电感器内部和降低辐射电磁干扰 (EMI) 方面具有更高能力。所需的电感与开关频率成反比。另一方面，电感可以降低 10 倍，在 1MHz 时的尺寸低于 100kHz 时的尺寸，开关频率越高，Q1 和 Q2 上的开关损耗越高，同时电感器内核损耗也越高。因此，1MHz 开关频率是实际设计中电感器尺寸和功率转换效率之间的理想取舍。

电感器额定电流的选择对实现预期效率也很重要。峰值电感器电流 IPeak 通过下式计算：

电池电压为输入电压一半时电感器具有的纹波电流。因此，在所有工作情况下电感器饱和额定电流都应当始终大于峰值电感器电流。
关键是选择较小的、具有良好温度特征的陶瓷输出电容器，如：X7R 和 X5R 陶瓷电容器。进入电池的纹波电流由下式得出：

式中，ESR、RSNS和RBAT分别是输出电容器等效串连电阻、电流感测电阻器和电池内部阻抗，包括电池组中保护 MOSFET 的 Rdson。输出电容器的 ESR 越低，进入电池的纹波电流也越低。进入电池的纹波电流应当低于电感器纹波电流的十分之一，一般情况下 10 F/10m ESR 陶瓷电容器即可满足上述需求。

·选择电流感测电阻器RSNS

根据感测电阻器的调节阈值 VIREG 选择 RSNS。为了取得标准的感测电阻器值，使 VIREG=133mV，则求得 RSNS：

 

感测电阻器的功耗为I2CHGRSNS=I2CHGRsns=0.18W。选择 0.5W 时的 1206 额定尺寸。

·选择快速充电电流 设定电阻器RSET1.
RSET1 用于设定快速充电电流，RSET1 由下式求得：

·选择预充电电流设定电阻器 RSET2.

RSET2用于设定预充电电流，由下式求得：

·选择长充电时间设定电容器 CTTC

如果电池未充满，充电定时器可以检测“坏”电池组，此时充电定时器失效。CTTC 用于对充电定时器进行编程，规定每 nF 为 2.6 分钟。
C_{TTC}=\frac{t_{CHG}}{K_{TTC}}=\frac{5 60}{2.6}=115nF

可以选用 0.1 F 陶瓷电容器。

·选择与充电温度设定电阻器 RT1 与 RT2
RT1 与 RT2 用于在 0 C～45 C 间充电温度范围内进行编程，以启动电池充电器。对于电池组中常用的 103AT-2 热敏电阻，RT(0℃)=RTL=27.28k ，RT(45℃)=RTH=4.911 k ，RT1与RT2由下式确定：

在上式中代入 RTL 与 RTH 可以求得 RT1=9.31kW，RT2=442 kW。
在 16V 输入电压下仍然具有超过 90％ 的效率。与线性充电器相比，功耗低得多，而且可以在电池组侧设计同步开关充电器，以降低对主板空间的占用，由于以 MHz 频率进行工作，电感器的尺寸较小。需要牢记的是，电池的使用寿命主要取决于其温度。利用同步开关电池充电器对锂离子电池充电一般情况下产生的热量更低。因此，与线性电池充电器相比，它具有更长的使用寿命。

结束语

线性电池充电器适用于具有低成本和小尺寸优势的低容量电池充电应用。随着便携式 DVD 播放器和智能电话等便携设备对功率需求的不断提高，由于其内在的高功耗限制，线性电池充电器不再能够高效的对锂离子电池充电。集成 MOSFET 的高效率同步开关电池充电器为这些便携设备提供高效的充电解决方案，从而实现更低的热量与更长的电池使用寿命。