使用双极晶体管进行锂离子电池充电

序言

随着便携式手持设备(如手机、PDA等)的功能不断增加，加上对较小体积与更长电池寿命的要求，使得锂电池成为许多此类设备的首选供电能源。本文将讨论线性充电技术与相关的离散调节元件，并重点讨论主要离散参数与选择标准。

锂离子电池充电周期

为模拟充电电路中的主要功率损耗，以便选择正确的元件，我们必须了解锂离子(Li-Ion)电池的充电周期。图1 显示了单个锂离子电池的典型充电周期。预充电压阈值(VPRE)、上端电池电极电压阈值(VT)、以及再充电阈值(VRECHG)，取决于锂离子电池的种类及不同的生产商。而预充与上端电压极限的电压差取决于电池的内部化学性质。

如图1 所示，典型充电周期分为预充，快速充电(恒流)，快速充电(恒压)以及充电终止 4 个阶段。单个锂离子电池的典型满充周期为 3 小时。VLPROT和 VHPOT是高低保护电压阈值，适用于具备内部保护电路的电池。

图1  典型锂离子单个电池充电特性图

使用线性充电器对电池充电

线性充电器设计简单，体积较小，并且没有“开关模式转换器”常有的噪音，这些优点使得线性充电器特别适用于小功率、低噪音应用。线性充电器使用外部调节元件，以将电池电压由输入电源降至电池电压，因此功率损耗较大。图2显示具备外部调节元件与反向阻断肖特基二极管的典型线性充电器应用。

图2  典型线性电池充电器应用

调节元件 Q1 可以是 MOSFET 或双极晶体管。MOSFET 需要串联反向阻断肖特基二极管，以阻止电流通过体二极管，由电池流向电源。也可以使用两个 MOSFET，一个作为调节元件，另一个作为反向阻断二极管。但是，作为反向阻断装置的肖特基二极管，其成本较 MOSFET 低。多数 PNP 晶体管可为单室镍镉与镍氢电池提供反向阻断能力，但此能力并未得到确定或保证。锂离子电池(包括 4.2V 单室电池)，一般均需要阻断二极管与标准双极晶体管串联。Zetex 提供多种特定应用晶体管，单室锂离子电池充电所需的反向阻断能力得到充分保证。 

线性电池充电器由于充电电压的余量较低(尤其当使用 USB 总线供电的充电器时)，因此需要额外肖特基二极管以实现反向阻断。USB 电源电压可在 4.4V 至 5.25V 之间浮动。

恒流阶段过程中，电池电压增加，晶体管集电极发射极电压降低，直至晶体管接近饱和区且增益开始下降。充电控制器透过传感电阻器检测到这一情况，并透过增加基极驱动加于补偿，由此保持充电电流。因此，晶体管饱和特性对于充电周期此时输送充电电流十分重要，必须低于最低电路电压，同时，应考虑电压与电池电压、传感器电压降以及所使用的任何二极管的正向电压。应明确指出的是，当输入电压较低(如 4.4V)，饱和特性更显重要。

以图2的电路为例，此电路的 USB 端口输入电压为 4.75V(高功率 USB 端口电压范围的下限)，充电电流为 500mA。反向阻断肖特基二极管正向压降为 0.35V。如果晶体管的饱和电压为 0.3V，传感电阻器的电压(VS)则为 4.1V。传感电阻器的电压可进一步下降，电池的电压低于 4.1V 时将不足以充满锂离子电池。当电源电压低至 4.4V(如低功率 USB 端口)，此情况更为严重。

Zetex 的特定应用晶体管具备极低饱和电压，且无需反向阻断二极管即可对单室锂离子电池进行线性充电，因此可保持必要的余量。

图 3 显示典型 USB 总线供电单室锂离子线性电池充电器应用，在此应用中，Zetex 低饱和 ZXTP25020CFF 双极 PNP 晶体管同时具备反向阻断能力。

图3  充电阶段

IC1 驱动能力通常可为 5mA 至 50mA，并可能需要 250mA至1mA的静态电源电流。

功率损耗计算

当电池处于预充电压阈值(VPRE)，充电阶段进入快速充电—恒流阶段，此时将产生最大功率损耗。对于正常工作状态时出现最高功率损耗的情况，其主要功率损耗区及计算范例如下所示。

此应用实例的电池规格为：
电池：单室锂离子 500mAh
如用于便携式手持设备(手机、MP3 播放器等)
电池预充阈值VPRE = 3V
电池上端电压阈值VT = 4.2V
快速充电额定值 1C = 500mA
对于图2中的实例，元件与电源规格为：
最大 USB 电源电压VIN MAX=5.25V
IC1 输入电源电流IIC_SUPPLY (Max) = 1mA
Q1 PNP 晶体管 = ZXTP25020CFF
基极发射极电压VBE = 0.7V  
双极 PNP 的 hFE 增益 = 275(通常于25℃，500mA 的集电极电流) 
RSENSE = 0.1
Pd(IC) = VIN MAX