智能單片線性鋰離子電池充電器IC設計

摘要：鋰離子電池由于體積小、重量輕、能量密度高和循環壽命長等優點，在便攜式設備中得到了廣泛的應用，由于鋰離子電池的使用壽命與鋰離子電池充電器的充電方法密切相關，充電器必須安全、快速、效率高．考慮到IC的成本，采用CMOS工藝設計了一款具有智能熱調整功能的單片線性鉭離子電池充電器IC，在此設計的線性鋰離子電池充電器IC在恒流／恒壓充電模式的基礎上，增加了涓流充電模式和智能熱調整模式。
關鍵詞：線性充電器；鋰離子電池；恒流充電；恒壓充電；智能熱調整

鋰離子和鋰聚合物電池具有工作電壓高、無記憶效應、工作溫度范圍寬、自放電率低及比能量高優點。使其能夠較好地滿足便攜式設備對電源小型化、輕量化、長工作時間和長循環壽命以及對環境無害等要求，同時隨著鋰離子電池產量的提高，成本的降低，鋰離子電池以其卓越的高性價比優勢在便攜式設備電源上取得了主導地位，這也使得鋰離子電池充電器得到了巨大的發展和廣闊的市場。本文設計一款針對單節鋰電池的線性充電器IC。該IC采用涓流-恒流-恒壓三階段充電法對充電過程進行控制。

1 線性鋰離子電池充電器的整體結構設計
圖1所示為本文鋰離子電池充電器的整體功能模塊圖。這些子模塊包括。基準電壓源、基準電流源、欠壓閉鎖模塊、恒流充電放大器、恒壓充電放大器、智能熱調整放大器、鉗位放大器、振蕩器、計數器、電池溫度保護模塊、功率管襯底保護模塊、邏輯模塊以及多個比較器模塊。

考慮芯片的實際應用，本文設計的鋰離子電池充電器具有以下幾個特點：
(1)芯片的溫度保護方面在充電過程中，當電池的電壓達到涓流充電跳變電壓門限而進入恒流階段時，恒流階段為大電流充電，由于本文的功率管為PMOS，在負載電池和電源之間只有該功率管，此時電池電壓較低，芯片功率耗散達到最大。其功率耗散為：
P=(Vcc-VBAT)Icc (1)
大功率耗散將導致芯片的溫度急劇上升，因此設置了一個智能的熱反饋回路。當芯片溫度上升到熱反饋溫度點105℃時，啟動熱反饋回路，使芯片溫度維持在105℃。當電池電壓進一步升高時，由式(1)可知，功率耗散逐漸降低，在較小的功率耗散下，芯片的溫度會逐漸降低。此時退出智能熱調整工作模式，進入恒流充電模式，使用大電流Icc對電池充電，或者直接進入恒壓充電階段。該熱反饋回路的使用，使充電的速率最大化，同時用戶無需擔心芯片的溫度過高。
(2)成本方面。本文介紹的芯片采用CMOS工藝設計，成本低，工藝易于實現。
(3)與用戶的交互式管理方面。芯片提供了多個外部用戶編程引腳以方便用戶對芯片的管理和使用。在充電電流的控制方面，用戶可以通過連接1只電阻至芯片一個引腳對充電電流進行編程；在充電最終電壓的控制方面，用戶可通過將芯片的一個引腳接高電平或低電平來設置最終充電電壓為4．1 V或4．z V，以適應對使用不同的負極材料的鋰離子電池進行充電；在充電時間的控制上，用戶可通過連接1只電容至芯片1個引腳對充電時間進行編程，滿足用戶不同的充電時間要求。芯片設計預計達到的特性和參數見表1。