由于下一代電池的開發(fā)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(jiǎn)化新系統(tǒng)的開發(fā)，學(xué)習(xí)如何使用此類IC進(jìn)行設(shè)計(jì)非常重要。

　　電池通?？梢詫⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能或電壓，因此如果某種電池的能量可以恢復(fù)，則該電池是二次電池或可充電電池。在行動(dòng)裝置的應(yīng)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(jié)電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓更高、自放電率更低、品質(zhì)能量密度與體積能量密度更高，這使它們對(duì)于有需求的應(yīng)用上更具吸引力。

　　減少設(shè)備成本與重量　單節(jié)電池優(yōu)勢(shì)更顯著

　　如果設(shè)計(jì)人員在使用鋰離子電池時(shí)保持謹(jǐn)慎，其實(shí)是相當(dāng)安全的。表2列出了鋰離子電池供電系統(tǒng)的一些典型應(yīng)用。單節(jié)和雙節(jié)電池應(yīng)用占據(jù)了大約70%的鋰離子電池市場(chǎng)。在小工具、數(shù)位攝影機(jī)和類似設(shè)備的設(shè)計(jì)中，最新的趨勢(shì)要求減少設(shè)備體積、成本和重量，這促使一些雙節(jié)電池應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)閱喂?jié)電池應(yīng)用。需要叁節(jié)鎳氫電池的設(shè)備，其電池可用單節(jié)鋰離子電池替代。而減少系統(tǒng)中電池?cái)?shù)量的其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以省去為了平衡多節(jié)電池所需的額外工作。

　　透過(guò)廣泛應(yīng)用的通用序列匯流排（USB），鋰離子電池可以使用大多數(shù)電腦上的USB埠進(jìn)行充電。USB協(xié)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓為5伏特（V），這使USB協(xié)定對(duì)于單節(jié)鋰離子電池應(yīng)用極具吸引力。USB規(guī)範(fàn)規(guī)定，主機(jī)或集線器的電壓降範(fàn)圍為4.75~5.25V，且主機(jī)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(jié)電池的充電電壓達(dá)到4.2V時(shí)，充電器會(huì)維持恆壓，直到滿足終止條件。應(yīng)當(dāng)仔細(xì)地設(shè)計(jì)電池的電壓（有一定的誤差範(fàn)圍），以避免充電提前終止和產(chǎn)生危險(xiǎn)。此一USB電壓範(fàn)圍非常適合于簡(jiǎn)單的步降充電器設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)的鋰離子電池穩(wěn)壓典型值為4.2V。

　　低壓差轉(zhuǎn)換器與交換式轉(zhuǎn)換器比較

　　目前兩種常用的步降拓?fù)涫蔷€性，即低壓差轉(zhuǎn)換器（LDO）和交換式（降壓）轉(zhuǎn)換器。理想情況下，交換式拓?fù)涞男士蛇_(dá)到100%。在考慮功率損耗之后，效率可能會(huì)降到85%與95%之間。公式1可用于計(jì)算LDO的效率。當(dāng)IGND遠(yuǎn)小于IOUT時(shí)，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(jiǎn)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(huì)從60%上升到84%。對(duì)于恆壓（CV）充電模式，效率將保持在84%。因而，當(dāng)輸入電壓約為5V時(shí)，在單節(jié)鋰離子電池充電器設(shè)計(jì)中，LDO拓?fù)淇闪己玫毓ぷ?。由于省略了電感器，LDO拓?fù)溥€可降低成本，并且可避免與交換式拓?fù)溆嘘P(guān)的EMI難題。但是，如果需要高于1A的快速充電電流，則應(yīng)考慮交換式拓?fù)洹９?給出了一個(gè)對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明的功耗計(jì)算公式。

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

　　在此一範(fàn)例中，選擇的電池充電電流為2安培（A）、電池電壓為3V，以說(shuō)明CC模式下的最壞情況。選擇的輸入電壓為5V，以簡(jiǎn)化計(jì)算。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮誤差最大的情況。即使是對(duì)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(dāng)室溫為25℃時(shí)，加上144℃會(huì)使系統(tǒng)中的溫度達(dá)到169℃。169℃的溫度超出了晶片的典型過(guò)溫關(guān)斷閥值。對(duì)于良好設(shè)計(jì)的鋰離子電池充電管理IC，應(yīng)包含溫度回饋電路，在溫度開始上升到閥值時(shí)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(shù)很少，且只需要很少的被動(dòng)元件。它們通常採(cǎi)用諸如SOT-23、MSOP和DFN之類的封裝。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，大多數(shù)低階線性電池充電器都進(jìn)行了完全整合。典型的接腳數(shù)介于5~10接腳之間。

　　對(duì)鋰離子電池進(jìn)行安全充電通常是低階充電器的基本目標(biāo)，也是唯一目標(biāo)。如圖1所示，簡(jiǎn)單的電池充電器只須要使用一個(gè)5接腳個(gè)元件，為正常工作，最少需要叁個(gè)元件，即一個(gè)輸入電容、一個(gè)輸出電容和一個(gè)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(tài)指示、電源狀況指示、電池溫度監(jiān)視、計(jì)時(shí)器和邏輯電流控制之類的功能。

　　左右單節(jié)鋰離子電池充電效能　USB埠設(shè)計(jì)良莠至關(guān)重要

　　除連結(jié)周邊與電腦外，USB協(xié)定還能以較低成本實(shí)現(xiàn)高速傳輸。通過(guò)USB埠將設(shè)備和周邊與電腦進(jìn)行連接已成為最流行的方式。USB的電壓範(fàn)圍為4.75？5.25V，非常適合用于恢復(fù)單節(jié)鋰離子電池或電池組的能量。目前有許多方法可用于對(duì)單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電。表3即列出了基于USB埠設(shè)計(jì)單節(jié)鋰離子電池充電器的一些基本方法。

　　首先第一種方法採(cǎi)用低功率USB埠來(lái)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(duì)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(jiǎn)單地將USB埠作為額定參數(shù)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(dǎo)體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）在閘極驅(qū)動(dòng)，為低電位或高電位時(shí)設(shè)置兩種不同的充電電流。高速USB埠允許的絕對(duì)最大電流為500mA，但USB埠通常是以低速啟動(dòng)，直到完成驗(yàn)證為止。

　　通過(guò)可設(shè)置兩種不同充電電流的整合MOSFET，可簡(jiǎn)化這種設(shè)計(jì)，并通過(guò)它可提供預(yù)設(shè)的充電電流，或以可程式電阻器設(shè)計(jì)充電電流。如圖2所示，該示範(fàn)提供了叁種不同的充電電流設(shè)置，并可在墻式電源適配器和USB埠之間無(wú)縫的切換。存在墻式電源適配器時(shí)，最大充電電流可很容易超過(guò)高速USB埠的500mA。

　　圖2 雙輸入鋰離子電池充電器架構(gòu)圖

　　當(dāng)只有USB電纜時(shí)，充電電流將取決于MOSFET的閘極驅(qū)動(dòng)電流為邏輯高電位還是低電位。一些設(shè)計(jì)只須要一個(gè)輸入電源，但可通過(guò)介面之間的通訊來(lái)設(shè)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(yù)設(shè)USB充電電流會(huì)低于450mA。為了安全考慮及滿足USB規(guī)範(fàn)，正確的設(shè)計(jì)方法還應(yīng)限制來(lái)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(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換

　　隨著現(xiàn)今行動(dòng)裝置功能越來(lái)越多，對(duì)于電池管理的需求也不斷增長(zhǎng)。在空間受限的應(yīng)用中，高度整合的電源軌（Power Rail）控制可以大幅提升設(shè)計(jì)人員的便捷性，使每一個(gè)電源軌都具備良好的管理，以便在輸入電源路徑、系統(tǒng)負(fù)載和電池之間無(wú)縫地進(jìn)行切換。

　　如圖3所示，為鋰離子電池充電器的典型應(yīng)用電路。具有系統(tǒng)負(fù)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(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)每個(gè)電源軌進(jìn)行管理，并當(dāng)輸入電壓不足以保持輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，電池將處于支援模式。有時(shí)，除恢復(fù)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(tǒng)負(fù)載平衡鋰離子電池充電器架構(gòu)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(lái)自推行無(wú)危害設(shè)計(jì)指南的組織、當(dāng)?shù)氐墓芾矸ㄒ?guī)或政策、區(qū)域產(chǎn)品製造商偏好、電池製造商規(guī)範(fàn)、設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)水準(zhǔn)或終端用戶的習(xí)慣等因素。而常見的功能包括用于每個(gè)充電階段的計(jì)時(shí)器、輸入過(guò)電壓保護(hù)、通訊