单体锂离子电池应用充电器IC的选择

　　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。要为完成这项工作而选择正确的集成电路 （IC），我们必须权衡几个因素。在开始设计以前，我们必须考虑诸如解决方案尺寸、USB标准、充电速率和成本等因素。必须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。本文中，我们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，我们还将探讨一个应用和现有的解决方案。

　　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）。电池位于完全充满电压以下时，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，以适应电池并防止电池损坏。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 小时内耗尽电池所需的电流），但该电流也取决地电池制造厂商。典型充电电流为~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4.2V），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。如果电流降至预定电平（一般为快速充电电流的10%），则终止充电。我们一般不对电池浮充电，因为这样会缩短电池使用寿命。图1 以图形方式说明了典型的充电周期。

　　图1典型锂离子充电周期

　　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。我们下面介绍这两种拓扑结构的各种优点和一些折中方法。

　　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。我们将在后面详细讨论这些环路。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% 到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，降低DC 电压。这样做的好处是解决方案只要求三个组件：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） 通常为一款低成本的解决方案，且噪声更低。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，其意味着LDO 并非那些输入输出差较大的高充电电流应用的理想选择。这些高功耗应用要求散热，从而增加了解决方案的尺寸。

　　功耗及温升计算

　　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，其取决于电路板布局、气流和封装等具体参数。我们应该针对终端应用电路板对热阻建模。请记住，产品说明书中定义的ΘJA 并非这种应用中热阻的恰当表示方法。