锂离子电池的线性和开关式充电解决方案

　　要快速可靠地完成充电过程需要一个高性能的充电系统。为实现可靠且经济高效的解决方案，设计时应当考虑到以下系统参数：

　　输入源

　　许多应用都采用极廉价的墙式适配器作为输入电源。其输出电压主要依赖于交流输入电压和从墙式适配器流出的负载电流。

　　在美国标准的墙面插座上交流母线输入电压的变化范围一般为90VRMS至132VRMS。假设额定输入电压为120VRMS，容差为+10%, −25%。充电器必须为电池提供适当的稳压措施，从而不受输入电压的影响。充电器的输入电压与交流母线电压和充电电流成比例：

　　VO=2VIN×a-1O(REQ+RPTC)-2×VFD

　　REQ是次级绕组的电阻与初级绕组反射电阻(RP/a2)的和。RPTC是PTC的电阻，VFD是桥式整流器的前向压降。此外变压器磁芯损失也会使输出电压略有降低。

　　利用汽车适配器充电的应用也会遇到类似的问题。汽车适配器的输出电压典型范围为9V至18V。

　　恒流充电的速率和精度

　　特定应用的拓扑结构选择可能要由充电电流来决定。许多大恒流充电应用或多节电池充 电应用都采用开关式充电解决方案来获得更高的效率并避免产生过多热量。出于尺寸和成本方面的考虑，低档和中档的快速充电应用则倾向于采用线性解决方案，然 而线性解决方案会以热的形式损失更多能耗。对于线性充电系统来说，恒流充电的容差变得极为重要。如果稳压容差太大，传输晶体管和其他元器件都需要更大体 积，从而增加尺寸和成本。此外，如果恒流充电电流过小，整个充电周期将会延长。

　　输出电压的稳定精度

　　为了尽可能地充分利用电池容量，输出电压稳压精度非常关键。输出电压精度的小幅度下降也会导致电池容量的大幅减少。然而出于安全和可靠性方面的考虑，输出电压也不能随意设置得过高。图2显示出了输出电压稳定精度的重要性。

　　充电终止方法

　　毋庸置疑，过充始终是锂离子电池充电的心头大患。准确的充电终止方法对于安全可靠的充电系统来说非常关键。

　　电池温度监控
一般情况下，锂离子电池充电时的温度范围应当在0℃至45℃。在此温度范围之外对电池充电会导致电池过热。在充电周期中，电池内的压力上升还会 导致电池膨胀。温度与压力直接相关。随着温度上升，压力也会过大，这可能会导致电池内部的机械破裂或材料泄漏，严重时还有可能导致爆炸。在此温度范围之外 对电池充电还会损害电池的性能，或缩短电池的预期寿命。

　　通常锂离子电池包内都采用了热敏电阻来准确测量电池温度。充电器检测热敏电阻的阻值，当阻值超出规定工作范围，即温度超过规定范围时，充电被禁止。

　　电池放电电流或反向泄漏电流

　　在许多应用中，即使输入电源不存在，充电系统仍然与电池相连。充电系统必须保证输入电源不存在时，从电池汲取的电流极小。最大泄漏电流应当小于几个微安，通常应小于一个微安。

　　锂离子充电——应用实例

　　将以上几点系统注意事项事先充分考虑，就能开发出适合的充电管理系统。

　　线性解决方案

　　当存在稳压良好的输入电源时，通常采用线性充电解决方案。在此类应用中，线性解决方案的优点包括易用、尺寸小以及成本低。由于线性充电解决方案 效率低，因此影响设计的最重要因素就是散热设计。散热设计是输入电压、充电电流以及传输晶体管和环境冷却空气间的热阻。最糟的情况是器件从涓流充电阶段向 恒流充电阶段转换时，在此情况下，传输晶体管必须散发最大的热能，必须在充电电流、系统尺寸、成本和散热要求之间进行权衡。

　　例如，应用中需要利用一个5V ±5%的输入电源以0.5C或1C的恒定电流对一个1000mAh的单节锂离子电池充电。图3显示了如何利用Microchip的 MCP73843构成一个低成本的独立解决方案，只需要极少量的外部元器件，就可以实现所需要的充电算法。MCP73843完美地结合了高精度恒流充电、 恒压稳压以及自动充电终止等功能。

　　为进一步减小线性解决方案的尺寸、降低其成本和复杂性，许多外部元器件都可以集成到充电管理控制器中。先进的封装可以提供更高的集成度，当然也 会牺牲一定的灵活性。此类封装需要先进的生产设备，许多情况下避免了返工。通常会集成充电电流检测、传输晶体管以及反向放电保护。此外此类充电管理控制器 还会实现一定的热调节功能。热调节功能可根据器件管芯温度来限制充电电流，从而可在保证器件可靠性的情况下优化充电周期时间，热调节功能大大降低了散热设 计的工作量。