降低線性Li+電池充電器功耗的途徑

圖1 產生壓差的因素

圖2 5V/1A 交流適配器

選用適當的直流輸入電源
較低的輸入電壓有利于減小功耗，在為單節Li+電池充電時，需要4.2V±1%或4.1V±1%(取決于電池的化學特性)的穩壓輸出，輸入電源電壓要略高于電池的正極電壓、保證足夠的電池正極與輸入直流電源之間的壓差。圖1表示一個典型充電器中產生壓差的主要因素。
輸入電壓：Vin=Vsense+Vpmos+ Vtrace +Vdiode+4.2V (1)
最小輸入電壓為：
Vin(min)=RsensexIcharge+Rds(on)x Icharge + RtracexIcharge+[Vthmax(d)+RdxxIcharge] + 4.2V (2)
式中：Vthmax(d)是二極管的導通電壓；Rd是二極管的等效串聯電阻。
從上式可以看出：如果提高充電電流(Icharge)需要增大充電器的輸入電壓，以下是本文范例(圖3)在充電電流為500mA時的具體參數：
Vin=0.303V(Vdiode)+0.060V(Vsense) + 0.112V(Vpmos) + 0.000V(Vtrace) + 4.2V = 4.68V (3)
表1是圖3電路中的元件型號或參數。
考慮實際元件的容差，選擇5V±5%開關型交流適配器可提供一定的設計裕量。由于充電器本身具有電流控制功能，交流適配器不需要精確限流，要求交流適配器的最大負載電流比線性充電器快充電流高200-300mA，圖2是利用MAX5021低功耗、電流模式PWM控制器構成的一個交流適配器。

優化充電電流和功耗
圖3為測試電路，線性充電器充電電流為500mA、充電時間限制在6小時。線性充電器總功耗由(4)式表示：
Pdiss=(Vin-Vbatt)xIcharge (4)
為確定快充電流，需要計算最糟糕的工作條件下，P溝道MOSFET(Q1)所允許的功耗：
Pdiss(Q1)=Vds(Q1)xIcharge (5)
Vds(Q1)=5V-VD1-IchargexRcs-Vbatt (6)
式中：VD1是D1的導通壓降；Rcs是內部檢流電阻。另外，在任何情況下P溝道MOSFET的結溫不能超過150℃。
Tj=Ta+RqJAxPdiss(Q1) (7)
表2列出了一些適用于該充電器的P溝道MOSFET型號。雖然表中列出的額定耗散功率很高，實際設計中還要慎重考慮PCB板的安裝條件。大多數MOSFET器件額定參數所要求的“1平方英寸焊盤”的布板條件在實際設計中很難得到滿足，通過以下處理流程可以獲得更實際的結果。
首先算出在指定系統條件制約下所能得到的最佳RqJA，RqJA是RqCA(結與容器)和RqJC(容器與環境)之和，這里，容器熱量的參考定義為安裝漏極引腳焊接材料。RqJC由設計保證，RqCA由用戶的電路板設計、散熱條件和系統的冷卻狀況決定，應該盡可能減小RqCA。實際應用中還受線路板尺寸、空氣流通條件、PCB板材安全性的制約，由于無法直接測量Tj，我們可以利用Tc計算RqCA。
Tc=Ta+RqCAxPdiss(Q1) (8)
為了給表面貼裝的P溝道MOSFET提供有效的散熱，應盡量增大漏極引腳的焊盤尺寸，然后測量Vds (Q1)、Icharge和Tc計算RqCA。如果測量的RqCA沒有達到預期值，則需增大漏極引腳的焊盤尺寸或減小充電電流。必須注意：Tc不能高于PCB板的最高工作溫度—130℃或150℃(由PCB板材決定)。常用的FR-4雙層電路板額定溫度為130℃。
如果測到的容器溫度Tc=125℃(Ta=50℃)、Pdiss(Q1) = 800mW，則根據式(8)可得：RqCA = 93.75℃/W。
如果RqCA=93.75℃/W、RqJC=30℃/W (TSOP-6)、Ta(max)=50℃、Tj(max) = 150℃，則最大耗散功率為： Pdiss(Q1)max=808mW。
如果電池初始電壓Vbatt= 3.0V，Rcs=105mW、VD1=0.35V(Icharge= 500mA)，根據式(6)，則在最糟糕的條件下Vds(Q1)最大值為：Vds(Q1)max= 1.40V。根據式(5)，所允許的最大充電電流：Icharge(max)=505mA
當然，實際功耗會隨著電池電壓的升高而逐漸降低。

圖3 MAX1898單節Li+電池線性充電器

結語
通過優化直流輸入電源、充電電流和適當的散熱措施，可以得到安全、可靠的單節Li+電池線性充電方案。