提升移動設備充電效率，線性鋰電池充電IC作用明顯

　　由于下一代電池的開發速度至今仍跟不上摩爾定律的步伐，所以須要可以提供更好性能、高度整合且功能豐富的積體電路（IC）。為了簡化新系統的開發，學習如何使用此類IC進行設計非常重要。

　　電池通常可以將化學能轉化為電能或電壓，因此如果某種電池的能量可以恢復，則該電池是二次電池或可充電電池。在行動裝置的應用中常用的電池是鎳氫（NiMH）電池和鋰離子（Li-Ion）電池。如表1所示，與鎳氫電池相比，鋰離子電池具有更好的特性。例如，每節電池的標準電壓更高、自放電率更低、品質能量密度與體積能量密度更高，這使它們對于有需求的應用上更具吸引力。

　　減少設備成本與重量　單節電池優勢更顯著

　　如果設計人員在使用鋰離子電池時保持謹慎，其實是相當安全的。表2列出了鋰離子電池供電系統的一些典型應用。單節和雙節電池應用占據了大約70%的鋰離子電池市場。在小工具、數位攝影機和類似設備的設計中，最新的趨勢要求減少設備體積、成本和重量，這促使一些雙節電池應用轉變為單節電池應用。需要叁節鎳氫電池的設備，其電池可用單節鋰離子電池替代。而減少系統中電池數量的其中一個優點是，可以省去為了平衡多節電池所需的額外工作。

　　透過廣泛應用的通用序列匯流排（USB），鋰離子電池可以使用大多數電腦上的USB埠進行充電。USB協定的標準電壓為5伏特（V），這使USB協定對于單節鋰離子電池應用極具吸引力。USB規範規定，主機或集線器的電壓降範圍為4.75~5.25V，且主機和集線器的連接器的電壓不允許低于4.45V。鋰離子電池的典型充電演算法是恆流與恆壓（CC/CV）演算法。在每節電池的充電電壓達到4.2V時，充電器會維持恆壓，直到滿足終止條件。應當仔細地設計電池的電壓（有一定的誤差範圍），以避免充電提前終止和產生危險。此一USB電壓範圍非常適合于簡單的步降充電器設計，這種設計的鋰離子電池穩壓典型值為4.2V。

　　低壓差轉換器與交換式轉換器比較

　　目前兩種常用的步降拓撲是線性，即低壓差轉換器（LDO）和交換式（降壓）轉換器。理想情況下，交換式拓撲的效率可達到100%。在考慮功率損耗之后，效率可能會降到85%與95%之間。公式1可用于計算LDO的效率。當IGND遠小于IOUT時，可以忽略它。因此，基于LDO的鋰離子電池充電器的效率可以簡化為VOUT與VIN的比，如公式2和3中所示。

　　。。。。。。公式1

　　。。。。。。公式2

　　。。。。。。。公式3

　　此外，在典型的恆流（CC）充電模式期間，效率會從60%上升到84%。對于恆壓（CV）充電模式，效率將保持在84%。因而，當輸入電壓約為5V時，在單節鋰離子電池充電器設計中，LDO拓撲可良好地工作。由于省略了電感器，LDO拓撲還可降低成本，并且可避免與交換式拓撲有關的EMI難題。但是，如果需要高于1A的快速充電電流，則應考慮交換式拓撲。公式4給出了一個對此進行說明的功耗計算公式。

　　PDISSIPATION=ICHARGE×（VIN–VOUT） =2A（5V–3V）=4瓦。。。。。。公式4

　　在此一範例中，選擇的電池充電電流為2安培（A）、電池電壓為3V，以說明CC模式下的最壞情況。選擇的輸入電壓為5V，以簡化計算。在設計系統時，應考慮誤差最大的情況。即使是對于額定熱阻為35℃/瓦（W）的4毫米（mm）×4毫米QFN封裝，也很難散去4瓦的功耗，如公式5所示。

　　35℃/瓦×4瓦=144℃。。。。。。公式5

　　當室溫為25℃時，加上144℃會使系統中的溫度達到169℃。169℃的溫度超出了晶片的典型過溫關斷閥值。對于良好設計的鋰離子電池充電管理IC，應包含溫度回饋電路，在溫度開始上升到閥值時降低充電電流。

　　低階線性鋰離子電池　充電器成本低

　　低階線性鋰離子電池充電器通常成本很低，接腳數很少，且只需要很少的被動元件。它們通常採用諸如SOT-23、MSOP和DFN之類的封裝。隨著半導體技術的成熟，大多數低階線性電池充電器都進行了完全整合。典型的接腳數介于5~10接腳之間。

　　對鋰離子電池進行安全充電通常是低階充電器的基本目標，也是唯一目標。如圖1所示，簡單的電池充電器只須要使用一個5接腳個元件，為正常工作，最少需要叁個元件，即一個輸入電容、一個輸出電容和一個可程式化的電阻器。

　　圖1 典型的低階線性鋰離子電池充電器

　　此外，可能還有其他接腳，用于額外狀態指示、電源狀況指示、電池溫度監視、計時器和邏輯電流控制之類的功能。

　　左右單節鋰離子電池充電效能　USB埠設計良莠至關重要

　　除連結周邊與電腦外，USB協定還能以較低成本實現高速傳輸。通過USB埠將設備和周邊與電腦進行連接已成為最流行的方式。USB的電壓範圍為4.75？5.25V，非常適合用于恢復單節鋰離子電池或電池組的能量。目前有許多方法可用于對單節鋰離子電池進行充電。表3即列出了基于USB埠設計單節鋰離子電池充電器的一些基本方法。

　　首先第一種方法採用低功率USB埠來提供固定充電電流。該方法最終的電流通常低于低速USB埠的絕對最大電流（即100mA）。由于電阻容差、充電電流和電源電流的塬因，該充電電流通常低于90mA。該方法只是簡單地將USB埠作為額定參數為5V、100mA的電源。為了利用高速USB埠，可使用外部金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）在閘極驅動，為低電位或高電位時設置兩種不同的充電電流。高速USB埠允許的絕對最大電流為500mA，但USB埠通常是以低速啟動，直到完成驗證為止。

　　通過可設置兩種不同充電電流的整合MOSFET，可簡化這種設計，并通過它可提供預設的充電電流，或以可程式電阻器設計充電電流。如圖2所示，該示範提供了叁種不同的充電電流設置，并可在墻式電源適配器和USB埠之間無縫的切換。存在墻式電源適配器時，最大充電電流可很容易超過高速USB埠的500mA。

　　圖2 雙輸入鋰離子電池充電器架構圖

　　當只有USB電纜時，充電電流將取決于MOSFET的閘極驅動電流為邏輯高電位還是低電位。一些設計只須要一個輸入電源，但可通過介面之間的通訊來設置不同的輸入類型。通常，出于與低速USB埠相同的塬因，而高速USB埠的預設USB充電電流會低于450mA。為了安全考慮及滿足USB規範，正確的設計方法還應限制來自USB埠的輸入電流。

　　高整合度電源軌控制添臂力　電池充電器實現無縫切換

　　隨著現今行動裝置功能越來越多，對于電池管理的需求也不斷增長。在空間受限的應用中，高度整合的電源軌（Power Rail）控制可以大幅提升設計人員的便捷性，使每一個電源軌都具備良好的管理，以便在輸入電源路徑、系統負載和電池之間無縫地進行切換。

　　如圖3所示，為鋰離子電池充電器的典型應用電路。具有系統負載平衡和電源路徑管理功能，可在不同電源軌之間切換。使用該設計一個優點是可對每個電源軌進行管理，并當輸入電壓不足以保持輸出電壓穩定時，電池將處于支援模式。有時，除恢復電池能量外，還提供諸如低電量指示或控制、電源選擇之類的附加功能。

　　圖3 系統負載平衡鋰離子電池充電器架構圖

　　電池充電器其他功能

　　隨著鋰離子電池日益廣泛使用，安全和功能需求也不斷上升。這些需求可能來自推行無危害設計指南的組織、當地的管理法規或政策、區域產品製造商偏好、電池製造商規範、設計人員的經驗水準或終端用戶的習慣等因素。而常見的功能包括用于每個充電階段的計時器、輸入過電壓保護、通訊