隨著器件集成度的提高和尺寸的縮減，手機、PDA 及便攜 DVD 播放器等便攜設(shè)備的市場需求增長迅猛。電池功率密度的提高成為技術(shù)進步的瓶頸，而鋰離子電池在該方面的優(yōu)勢使其得到廣泛應(yīng)用。為了延長系統(tǒng)運行時間并降低器件尺寸，系統(tǒng)設(shè)計人員開始意識到利用高級電路拓撲提高系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換遠不能解決問題。電池充電已成為提高電池容量并延長使用壽命的重要方案。線性電池充電器成本合理、尺寸小，適用于低容量電池充電應(yīng)用。但線性電池充電器由于功耗較高，已不能充分滿足充電需求。本文主要介紹兆赫同步開關(guān)電池充電器以及有效充電并延長電池使用壽命的設(shè)計考慮事項。

　　鋰離子電池充電 

　　大部分專用鋰離子充電集成電路 (IC) 都是通過圖1所示的方式充電。鋰離子電池的充電過程由三個階段組成：預(yù)充電、恒流 (CC) 快速充電以及恒壓 (CV) 終端 (Termination)。在預(yù)充電階段，以低速率（一般是快速充電率的 1/10）對電池充電，這時的電池電壓低于 3.0V。這樣可以實現(xiàn)對鈍化層的恢復(fù) - 鈍化層在深度放電狀態(tài)下存儲時間過長會分解。另外，還可以在發(fā)生陽極短路的過充電電池出現(xiàn)部分銅分解的情況下防止 1C 充電過熱。在電池電壓達到 3.0V 時，電池充電器進入 CC 階段。

　　快速充電電流應(yīng)當限制在 1C 速率（0.7C 速率），以防止過熱以及因而造成的加速降質(zhì)。不過，為高功率容量設(shè)計的電池可以容許更高的充電率。應(yīng)當合理選擇充電率，使電池溫度在充電結(jié)束時不超過 50 C。電池以快速充電率充電，直到達到穩(wěn)壓極限（一般是 4.2V/電池，不過碳素 (coke-based) 陽極鋰離子電池為 4.1V）。然后，在充電電流以指數(shù)方式降低到預(yù)定義終端電平時，電池充電器開始調(diào)節(jié)電池電壓并且進入 CV 階段。輸出穩(wěn)壓精度是提高電池容量和延長使用壽命的關(guān)鍵。較低的穩(wěn)壓精度會造成電池充電不足，進而造成電池容量大幅降低。充電不足 1％ 電壓時，電池即損失大約 8％ 的容量。較低的電池穩(wěn)壓精度也會造成電池過充電，從而縮短電池使用壽命。為了安全地對鋰離子電池充電，僅允許環(huán)境溫度在 0～45 C 之間。在更低溫度時充電會形成金屬鋰，從而提高電池阻抗并造成電池降質(zhì)。在更高溫度時充電會由于鋰電解反應(yīng)而造成加速降質(zhì)。

　　低成本獨立線性電池充電器

　　許多IC 制造商通過開發(fā)用于低功耗便攜設(shè)備的低成本線性電池充電器來滿足市場對更精確和更安全充電的需求。圖 2 就是一種采用更少外部組件的低成本獨立線性電池充電器電路結(jié)構(gòu)圖。

　　這種電池充電器簡便地把適配器的 DC 電壓降低到電池電壓。導(dǎo)通元件上的功率等于適配器電壓減去電池電壓再乘以充電電流，如下式所示：

　　如果采用 5V 適配器對 1200mAh 或 2200mAh 單體鋰離子電池充電，則圖 3 說明 0.7C 充電率快速充電電流情況下的功耗。

　　在電池從預(yù)充電向快速充電階段過渡時，最大功耗分別為 1.68W 和 3.0W。對于具有 47℃/W 熱阻的 3 3mmQFN 封裝而言，3.0W 的功耗會造成 141℃ 的溫度升高。這肯定會超過 25℃環(huán)境溫度時的最高 125℃硅芯片接點工作溫度?？焖俪潆婋娏髡{(diào)節(jié)和 AC 適配器電壓容差在線性電池充電器中同樣至關(guān)重要。如果穩(wěn)壓容差較寬松，則導(dǎo)通晶體管和封裝需要更大的尺寸，從而增加尺寸和成本。線性電池充電器的主要問題是其高功耗。必須對充電系統(tǒng)的充電電流、尺寸、成本和散熱需求做出取舍。因此，由于其突出的尺寸、成本和散熱問題，線性電池充電器一般適用于低容量（低于 1300mAh）鋰離子電池應(yīng)用。那么，如何解決高容量電池組或高輸入-輸出壓差應(yīng)用的散熱問題？答案是高效率同步開關(guān)電池充電器。

　　兆赫同步開關(guān)電池充電器

　　同步開關(guān)式充電解決方案一般用于具有高輸入-輸出壓差的應(yīng)用或者高容量電池組。對于 2200mAh 鋰離子電池組，很難采用線性電池充電器通過車載適配器 (12V) 在 0.5C～1C 的快速充電率情況下對單體電池充電。雖然可以采用具有散熱調(diào)節(jié)功能的線性電池充電器，但是低充電率情況下的充電時間過長。

　　圖 4 說明適用于 DVD 播放器和智能電話等設(shè)備的充電電流達到 2A 的獨立高效同步開關(guān)降壓電池充電器。

　　它采用1.1MHz 開關(guān)頻率電壓模式控制架構(gòu)，利用內(nèi)置III型環(huán)路補償器降低外部組件數(shù)量。為了進一步降低電池充電器尺寸，它在4 4 mm小型封裝的 PWM 控制器中集成了兩個功率 MOSFET。功率 MOSFET Q1 和 Q2 交替關(guān)閉，具有最佳的停滯時間，以優(yōu)化高開關(guān)頻率時的效率。Q1 用作 P 通道 MOSFET，在用于高側(cè) N-MOSFET 柵極驅(qū)動器時可以消除外部自益放大電容器 (boost strap capacitor) 和二極管。另外，通過完全打開 Q1，在輸入電壓非常接近電池電壓時，易于實現(xiàn) 100％的占空比。打開和關(guān)閉時間處于受控狀態(tài)，從而可以根據(jù)反饋控制環(huán)路調(diào)節(jié)電池充電電流（CC 階段）或電池電壓（CV階段）。電池充電器具有高度集成的功能，能夠安全、高效地對鋰離子電池充電。它可以編程預(yù)充電電流、快速充電電流、充電電壓、充電定時器、電池溫度監(jiān)控、自動再充電、短路和過熱保護。電路參數(shù)設(shè)計用于下述設(shè)計示例中的以下規(guī)格。

適配器 DC 電壓：12 V

雙體鋰離子電池組：4.2 V/電池，1900mAh/電池

預(yù)充電電流：IPRE-CHG=133 mA

快速充電電流：ICHG=1.33 A

充電時間限制：tCHG = 5-hour

開始充電的溫度范圍：T= 0℃～45 C。

　　由于電池充電器的尺寸對便攜設(shè)備極其重要，因此需要采用盡可能小的輸出電感器。對于給定的電感器紋波電流，所需的電感由下式得出：

　　式中，f_{s}和 DIripple,L 分別是開關(guān)頻率和電感器紋波電流。在上式中代入VIN=12V、VBAT=6.0V（3.0V/電池）、Iripple,L=30％ICHG、ICHG=1.33A以及fs=1MHz ，可以得出L=7.5 H?？梢赃x擇L=10 H的屏蔽電感器。請注意：屏蔽電感器在把磁通量限制在電感器內(nèi)部和降低輻射電磁干擾 (EMI) 方面具有更高能力。所需的電感與開關(guān)頻率成反比。另一方面，電感可以降低 10 倍，在 1MHz 時的尺寸低于 100kHz 時的尺寸，開關(guān)頻率越高，Q1 和 Q2 上的開關(guān)損耗越高，同時電感器內(nèi)核損耗也越高。因此，1MHz 開關(guān)頻率是實際設(shè)計中電感器尺寸和功率轉(zhuǎn)換效率之間的理想取舍。

　　電感器額定電流的選擇對實現(xiàn)預(yù)期效率也很重要。峰值電感器電流 IPeak 通過下式計算：

　　電池電壓為輸入電壓一半時電感器具有最高的紋波電流。因此，在所有工作情況下電感器飽和額定電流都應(yīng)當始終大于最高峰值電感器電流。
關(guān)鍵是選擇較小的、具有良好溫度特征的陶瓷輸出電容器，如：X7R 和 X5R 陶瓷電容器。進入電池的紋波電流由下式得出：

　　式中，ESR、RSNS和RBAT分別是輸出電容器等效串連電阻、電流感測電阻器和電池內(nèi)部阻抗，包括電池組中保護 MOSFET 的 Rdson。輸出電容器的 ESR 越低，進入電池的紋波電流也越低。進入電池的紋波電流應(yīng)當?shù)陀陔姼衅骷y波電流的十分之一，一般情況下 10 F/10m ESR 陶瓷電容器即可滿足上述需求。

　　?選擇電流感測電阻器RSNS

　　根據(jù)感測電阻器的調(diào)節(jié)閾值 VIREG 選擇 RSNS。為了取得標準的感測電阻器值，使 VIREG=133mV，則求得 RSNS：

　　感測電阻器的功耗為I2CHGRSNS=I2CHGRsns=0.18W。選擇 0.5W 時的 1206 額定尺寸。

　　?選擇快速充電電流 設(shè)定電阻器RSET1.

　　RSET1 用于設(shè)定快速充電電流，RSET1 由下式求得：

　　?選擇預(yù)充電電流設(shè)定電阻器 RSET2.

　　RSET2用于設(shè)定預(yù)充電電流，由下式求得：

　　?選擇最長充電時間設(shè)定電容器 CTTC

　　如果電池未充滿，充電定時器可以檢測“壞”電池組，此時充電定時器失效。CTTC 用于對充電定時器進行編程，規(guī)定每 nF 為 2.6 分鐘。

　　C_{TTC}=\frac{t_{CHG}}{K_{TTC}}=\frac{5 60}{2.6}=115nF

　　可以選用 0.1 F 陶瓷電容器。

　　?選擇最低與最高充電溫度設(shè)定電阻器 RT1 與 RT2

　　RT1 與 RT2 用于在 0 C～45 C 間充電溫度范圍內(nèi)進行編程，以啟動電池充電器。對于電池組中常用的 103AT-2 熱敏電阻，RT(0℃)=RTL=27.28k ，RT(45℃)=RTH=4.911 k ，RT1與RT2由下式確定：

　　在上式中代入 RTL 與 RTH 可以求得 RT1=9.31kW，RT2=442 kW。

　　在16V輸入電壓下仍然具有超過 90％ 的效率。與線性充電器相比，功耗低得多，而且可以在電池組側(cè)設(shè)計同步開關(guān)充電器，以降低對主板空間的占用，由于以 MHz 頻率進行工作，電感器的尺寸較小。需要牢記的是，電池的使用壽命主要取決于其溫度。利用同步開關(guān)電池充電器對鋰離子電池充電一般情況下產(chǎn)生的熱量更低。因此，與線性電池充電器相比，它具有更長的使用壽命。

　　線性電池充電器適用于具有低成本和小尺寸優(yōu)勢的低容量電池充電應(yīng)用。隨著便攜式 DVD 播放器和智能電話等便攜設(shè)備對功率需求的不斷提高，由于其內(nèi)在的高功耗限制，線性電池充電器不再能夠高效的對鋰離子電池充電。集成 MOSFET 的高效率同步開關(guān)電池充電器為這些高級便攜設(shè)備提供高效的充電解決方案，從而實現(xiàn)更低的熱量與更長的電池使用壽命。