基于锂离子的电池和充电器设计研究

图4. APPM

LD6275开放两段的电池设定电压与充电电流的调整，可根据其需求动态调整，如为符合日本JEITA的规范要求根据电池之温度而调整充电器之设定，如下图5表示。

图5：TVSET, TISET调整

由于LD6275本身耗电极小，仅1~2mA,几乎可以忽略，因此IC本身发热功率Pd可以由下列公式计算：

Vin为输入电源电压，工作范围4.1V~6V.VBAT是电池电压，可以由0~4.2V,ICHG为设定充电电流，由外部电阻RCISET设定之。当电池电压低于3V时，会进入预充电模式，IC内部预设以ICHG的10%电流进行充电。

假设使用5.5V电源供应器对单颗1200mAh锂离子电池进行充电，在0.7℃快速充电电流时，且电池电压为3V的条件下，可以预估IC运作的最大耗电量为，1.762W的耗电最大值，此一功耗会使得热阻抗60℃/W的3×3毫米QFN封装温度温升127℃，即便环境温度0℃时，也已经超过所允许的125℃硅芯片操作温度最大值。若设定充电电流为0.6A(0.5C)，则可降低IC温升为90度，可以操作于35度的环境温度中，因此是较佳的设定电流。

由以上可以得知，快速充电稳流值和电源供应电压的操作范围，对于线性充电器相当重要。线性充电器的根本问题在于操作时芯片温度较高，使得设计时必须在充电电流和散热机构之间做取舍。但往往线性充电器的应用范围是需要轻薄要求的便携式产品，多使用导热性差的塑料外壳，亦不考虑金属散热片，最后产品设计者唯有降低充电电流并延长充电时间，来换取较低的操作温度。基于可携式产品使用者，希望能够在1~2小时中完成充电，因此线性充电器通常比较适合 1500mAh以下的低容量锂离子电池应用。若要应用于高输入/输出电压差或高容量电池的充电应用，此时可以考虑应用同步交换式充电器。

图6所示为锂离子电池充电器的标准充电流程，首先充电IC侦测是否有输出短路或是过载的保护模式，若系统一切正常接着侦测电池初始电压是否达到 3V以上，高于3V者就直接以快充模式进行高电流充电，若电池低于3V者，进入预充电模式，以快充的10%进行充电，唤醒电池并避免电池损坏。在预充电阶段，仍随时侦测电池电压，达到3V后可随即切入快充模式。

图6：锂离子电池充电器的标准充电流程

在快充模式下，电池的电压以较高速度上升，升高至4.2V时，切换至4.2V的定电压充电，由电池本生的内阻进行限流，此时充电电流就如同图1的CV阶段。随着时间过去，充电电流呈现指数曲线递减，当到达设定电流ICHG的10%，即关闭充电器，同时指示充电完成。

然而，当电池故障时，电池可能无法储存电能，电压抑不会升高，所充入的能量转变成热，除了依靠过温度保护机制之外，IC内部亦具有超时定时器，无论此时电池电压状态如何，只要超过设定充电时间后，随即关闭充电器，以达到多重保护使用者之功能。

使用者亦有可能在充电或式充电完毕后，在未将电源移除的情况下，即抽离电池的情况。为避免造成危险，IC内部应具有如图7, 8的电池存在侦测机制。充电IC会以短时间脉冲(每370ms产生2ms的脉冲)方式抽取电池电流，此时若电池存在，则侦测到的电池电压应大于一预设阀值；若电池已切离，则充电IC侦测到一低电压，即可判定为电池断开状态，并将电池端电压切断，保护使用者安全。

图7. 电池存在侦测机制

图8：电池移除侦测机制

结论

锂离子电池以其特有的性能优势已在可携式装置如笔记计算机、摄影机、移动通讯中得到普遍应用。而新一代的聚合物锂离子电池在形状上可做到薄形化、任意面积化和任意形状化，大大提高了电池造型设计的灵活性。同时，聚合物锂离子电池的单位能量比目前的一般锂离子电池提高了20%，其容量、与环保性能等方面都较锂离子电池皆获得改善。因此可以预见的是，未来锂离子电池的充电器，亦朝向更快速的充电速率与更强健的系统保护能力为未来发展趋势。