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设计满足消费者需求的充电器电路
[2008.4.1]
作者：Jon Titus, 特约编辑

锂离子电池在便携式电子器件得到了广泛应用。Linear Technology Corp（LTC）.的电源产品营销经理Tony Armstrong近来告诉我，他给自己的儿子一台遥控越野车，而其遥控器与发射器中多半都采用锂离子或锂离子聚合物电池供电。就在两年前，一般的产品都还采用镍镉或镍氢电池。

既然现在设计师要利用高能量密度的锂离子电池，他们必须想法改变这些充电电路。幸好，有很多半导体供应商提供了充电器IC及全面的参考设计。在某些情况下，设计师可以选择一个参考设计，对其进行测试，做微小的改动，然后进行生产。

但有些时候，对锂离子电池充电的电路需要更多的工作。“设计师必须了解运行一个充电器所需的电压和电流，”Linear Technology的电池充电器设计专家Trevor Barcelo说。“这个充电器是要连接到一个5V的适配器、12V汽车电池，还是USB端口或24V的叉车电源上？”

“然后，设计师必须了解同时有多少电源可用？这些产品的连接器是一个还是多个？以及充电器需要处理多少个电压？”Barcelo说。“如果电源有两个或更多的连接器，则产品需要一个多输入的充电器或复用器。”

设计师还要清楚什么时候使用一个线性或开关模式充电器电路。要做上述决定，必须了解电池所需的充电速率。“如果以以几百毫安的电流对蓝牙耳机充电，一个线性充电器就很适合。”Texas Instruments的电池充电器IC产品经理Masoud Beheshti说。“如果要以较大的电流充电（６到７安培），就只能选择开关模式充电器。线性充电器会浪费过多的能源。”还要清楚所要充电的电池节数，Beheshti补充说。“电池节数越多，电压与电流就越高，所以需要高效的开关模式充电器。”

通常电源为便携式产品供电有两种方式：由电池本身供电，或至少一个外部电源或交流适配器。电源控制电路如何处理“电源路径”对产品工作效果有很大影响。

有两种常见的电源路径。首先，外部适配器的电源通过充电器进入电池，然后电池对产品供电。其次，可以分别对产品与电池采用单独的输入电源路径。这样，外部适配器为产品供电，并另外对电池单独充电。由于产品本身并不从电池任何消耗功耗，后一种方式可迅速地对电池充电。“在电池没电的情况下，这种方法避免了某些启动问题。”TI的Beheshti补充说。

尽管适配器-充电器-电池的路径简化了充电电路，它也会可造成用户对便携式产品的不满意之处。“假如你要用MP3播放器听音乐上，锂离子电池却没电了。”Linear Technology的Barcelo说。“如果要重新必须充电才能听音乐，你会觉得很不舒服。那么，为什么不设计一个电路既可对电池充电，同时又能为MP3播放器供电呢？”

Microchip Technology公司技术工程师Terry Cleveland指出，适配器-充电器-电池电源路径还会对电池增加负荷。“所以电池不能充电到最大值。即使计划要单独对电池充电，设计师与用户必须明白，锂离子电池没有镍镉或镍氢电池的快速充电能力。”

外部电源适配器也有自身的问题。消费者可能会不小心将错误的电源适配器连接到设备上，充电器电路如何能区别呢？Intersil Corp.的应用工程师Bob Lyle说“实现这种功能的技术有多种，从简单的保护电路到复杂的方式。不论是哪种情况，工程师必须考虑多种充电情况，然后对其进行设计并测试。这种系统集成问题很难预测。”即使采用专门连接器来保证只对专门的适配器充电，该适配器可发生故障而损坏充电电路。用于笔记本电池充电的Intersil ISL6256与ISL6256A充电器IC在连接交流适配器时，可自动切换到交流适配器，并在在用户拔下交流适配器时，切换回电池。许多充电器电路都以这种方式工作。

为了防止过压，LTC4098电源管理器/充电器IC让设计师可将N-FET与外部电源输入串联，以保护充电器不受损坏。用户可选择一个适合所需防护的最高过电压的N-FET。当然，随着保护电压的升高，N-FET的成本也会提高。

“为了提高效率，LTC4098可以控制四个高压降压稳压器中的一个输出，使其可以伺服达到电池电压的300mV以上。”LTC的Barcelo说。“这个较小的电压差让我们可为系统供电从降压稳压器，并同时通过一个线性电池充电器对电池充电。”所以，如果利用一个由3.8V电源供电的线性电路对电池以3.5V，1A的电流充电，即300mV的电压，线性充电器只消耗300mW的功耗。如果必须使用一个标准的5V电源，线性充电器会消耗1.5W的功耗，功率损耗与热量损耗增加了五倍。

“一般来说，线性充电器效率很低，但其降压稳压器的输出可高于电池电压，让设计师能创建更高效的系统。”Barcelo解释说。

有适合你的MCU吗？

某些充电电路可使用一个微控制器(MCU)来设定充电参数。以Microchip Technology为例，他们就提供MCU与工程师可修改或直接使用的电池充电算法。与PIC MCU结合时，Microchip的MCP1631脉冲宽度调制器控制电源的占空比并调节输出电压或电流。MCU可调节输出电压或电流，开关频率及占空比，并有足够的处理能力来控制其它部分充电器或电源电路。在这种电路中，MCU可独立于产品较大的MCU或微处理器工作，也可与其配合工作。

TI的Masoud Beheshti解释，通过搭配MCU与充电器IC，设计师可以使用简化的充电器IC，让MCU运行控制算法。“TI提供了bq24100型器件，专门对一、二、三及四节电池组为利用MCU控制而优化。”

开发人员还会在电路中需要某些智能功能，以平衡两个多个电池间的充电电流。各节电池间较小的电气差异造成了它们充电的速度不同。因此，在充电时，基本的电路只能测量所有电池的电压，并决定结束充电循环，从而造成电池组中的电池充电不完全。充电平衡技术可忽略满容量或接近满容量的电池，而将电流分配到需要充电的电池。

几位工程师解释了电池能量与寿命的利弊——设计师应该考虑的另一方面。对锂离子电池充电到指定的4.2V可最大地延长便携式设备的工作时间，如MP3播放器及游戏。但如果时间过长，电池会降低功效。在昂贵的消费产品中，如PDA与数码相机，用户可以将锂离子电池充电到4.1V，以较短的工作时间实现较长的使用寿命。当前，有几家公司在生产专门针对4.1V充电电路的IC。

电池化学结构的变化会增加对智能电池充电器的需求。据Microchip Technology的技术主管工程师Scott Dearborn介绍，锂离子电池研究人员开始用类似的镍、锰和铝化合物来代替钴酸锂。未来的消费电子产品会要有能确定所使用的锂离子电池类型，并相应地调节充电参数的能力。新的化学结构可提供4.35V的电压。

参考资料

• Wen, Simon, “Fast Cell Balancing Using External MOSFET,” Application Report SLUA420.Texas Instruments, May 2007. http://focus.ti.com/lit/an/slua420/slua420.pdf
• Chu, Brian, “Design A Load Sharing System Power Path Management with Microchip’s Stand-Alone Li-Ion Battery Charger,” AN1149.Microchip Technology. http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1824&appnote=en533380

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PCB布局提示

Intersil的Bob Lyle为PCB布局充电器电路的提供了这项提示。“不用在PCB中使用狭长的迹线来驱动开关模式充电器中的MOSFET的栅极。需要较快的边缘电流与高峰值电流来高效地启动MOSFET。较长而薄的迹线可造成信号完整性问题，增加电阻及电感。必须避免缓慢地启动MOSFET，否则会导致开关模式充电器中高侧和低侧MOSFET同时导通，造成直通电流，该电流会降低效率并损坏FET。”

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锂离子电池平衡如何工作？

作者：Scott Dearborn, Microchip Technology

工程师将多个锂离子电池串联时，要考虑电池平衡的问题。对于电池并联，并没有太大的平衡问题，这种结构可以自动平衡。串联的电池组在经过放电/充电循环时，单个电池的性能会有所区别，有些电池会限制电池组的充电与放电容量。

在充电周期中，容量下降的电池可能会充电过度。结果，电池的温度与压力都会上升，降低了电池组的效率、可靠性及总容量。

在放电周期中，如果放电过于充分，较弱电池的电压会比电池组中的其它电池先行反转。此外，温度差异会造成电池组的电气失衡状态。

铅酸和镍电池(镍镉和镍氢)能承受某些过量充电或过压条件，而不会造成永久的损坏。在这类型电池中，延长充电时间可平衡电池充电情况，并中和一定程度的电荷。完全充电的电池会以的加热散气的方式释放能量，直到电量不足的电池充满电。但锂离子电池不能承受过压，所以不能用这种技术来平衡多节锂离子电池组中的电荷。

有几种电池平衡方案让工程师可在充电时间、效率、成本与复杂性等因素中进行权衡。主动电池平衡方法从一节或多节电荷较多的电池中除去一些电荷，然后将电荷发送到电荷较少的电池中。平衡过程相继地出现，并需要较长的时间。被动平衡通过阻性元件消耗电荷较多的电池中的多余能量，直到电荷少的电池充满电为止。

所有的电池平衡技术都需要有能确定单独电池充电状态的能力。最简单的方法是用电池电压来显示其充电状态。更精确的方法是使用库仑计数（Coulomb counting），并考虑每个电池的温度、使用时间及电压。

在以低初始成本为主要目标，或替换成本并不太高的情况下，设计师可以放弃电池平衡。但不论工程师是否要在产品中使用电池平衡，他们都要在电池系统中加入安全保障电路。

Scott Dearborn是Microchip Technology公司模拟与接口产品部门的技术主管工程师。

Captions

图1. Microchip Technology推出的单节双输入的MCP73837/8电池充电器可在设备与外部直流电源断开时，由USB端口自动充电。这些IC具有某些安全特性，如温度调节、电池温度监控与充电器定时器等。

图2. Microchip MCP1631电池充电器IC的参考设计包括一个有充电算法的PIC16F883 MCU。其按钮可让开发人员选择电池类型及电池节数进行测试。

图3A和3B. 为防止损坏，Linear Technology LTC4098开关电源管理器与锂离子电池充电器可检测过压，并能关闭电源的FET。该IC可使用两个外部FET来防护电源极性反接造成的损坏。

图4. 该电路图显示了在外部MCU的控制下，用于对单锂离子电池充电的Texas Instruments bq24150/1 IC，该MCU通过I2C总线与充电器通信。此电路需要只几个普通的无源元件。

图5. Intersil的ISL6256 IC评估板让开发人员可轻松使用多个测试点及连接器。此IC使用一个同步降压稳压器，可为锂离子或锂离子聚合物电池充电。

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Figure 1, Figure 2, Figure 3, Figure 4, Figure 5

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