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锂离子电池充电期间的系统上电

来源:沃尔德   发布日期:2013-06-10   点击次数:1769

    锂离子电池充电和系统负载加电的常见方法。在充电周期中,锂离子电池充电器负责向系统负载和锂离子电池输送电流。如果锂离子电池电量耗尽(即锂离子电池电压小于或等于2.9V),则锂离子电池充电器的充电周期将在涓流充电模式下开始,并且只允许流过少量(几十毫安)的电流。充电器只在锂离子电池电压达到一个安全的电平之后才启动一个快速充电模式,以便为负载提供较高的电流。
    若希望在对一个电量耗尽的锂离子电池进行充电的同时操作终端产品,就会出现问题。当锂离子电池电压(VBATT)低于2.9V时,具备自动涓流充电功能的锂离子电池充电器将向锂离子电池和系统负载输送非常小的电流。锂离子电池的电压在涓流充电期间缓慢增加,并达到DC/DC转换器的欠压闭锁门限值(VLO)。这时,在锂离子电池电压达到该值之前一直处于“关断”状态的DC/DC转换器开始工作且需要更大的电流。结果,增加的负载电流超过了涓流充电电流,VBATT开始下降。渐渐地,VBATT再次超过DC/DC转换器的欠压闭锁门限值VLO,从而接通DC/DC转换器。该周期将无限期地循环下去,造成便携式设备永远不上电,而且锂离子电池永远充不满。
    凌特公司的LTC4058允许提供给锂离子电池和系统负载的电流大于涓流充电电流。当DC/DC转换器接通时,锂离子电池充电器会提供多余的电流,几乎不需要锂离子电池向系统负载输送电流,而且锂离子电池电压的下降可以忽略不计。这样,不仅DC/DC转换器能够正确启动且无干扰,而且锂离子电池充电器还将连续地为锂离子电池充电,直到锂离子电池达到满充电状态为止。
    锂离子电池充电器的一个明显发展趋势是封装尺寸的持续缩小,而并不那么引人注目的则是在充电期中(尤其是在大电流条件下)进行充电IC冷却的空间大小和通风要求的提高。充电器产生的功耗会导致充电IC的结温上升,当该温升被加到环境温度中时,就有可能达到足以引发过热并危害电路可靠性的程度。如果产生过热现象,则许多充电器将终止充电周期,并且将在结温冷却下来之后才能恢复操作。如果高温条件持续下去,则该“停止和启动”循环也将继续进行,导致锂离子电池所需的充电时间延长。解决这一问题的方法是减小充电电流(充电时间因此延长)或占用更多的电路板面积(由于增加了PCB热平面和热保护材料而导致总体系统成本上涨)。这些补救措施的采用将使便携式设备的重量、体积和成本增加。
    针对上述问题有两种解决方案,第一种解决方案是采用智能型锂离子电池充电器,它没有用牺牲PCB面积的方法来解决散热问题,而是采用一个纤巧的热性能增强型充电IC,这种封装结构的充电IC能够对其自身的结温进行监视以防止过热现象的发生。如果温度达到了一个预先设定的门限值,则充电器应自动减小充电电流以限制功率耗散,从而将硅片温度维持在一个安全的水平上。第二种解决方案是采用一个即使在大电流条件下也几乎不散失热量的充电器,这需要的是一个脉冲充电器。该技术不同于线性充电器,脉冲充电器是依靠一个经过精确调节的电流限制型交流适配器来进行充电的。

(1)解决方案一
    LTC4059A是一款单节锂离子电池充电器,它免除了增设3个分立式功率组件的需要,可在无系统过热的情况下进行快速充电,对充电电流的大小进行监视和告警,并能够在输入电源与充电器相连时提供指示信号。LTC4059A采用最小增强型封装结构,并没有牺牲热性能。完整的解决方案只需要两个分立组件(一个输入电容器和一个充电电流设置电阻器),占板面积为2.5mm×2.7mm。
    LTC4059A所采用的2mm×2mmDFN封装形式的占板面积仅为SOT-23封装形式的一半,热阻减小了约60℃/W,使得散热性能有所改善。LTC4059A能够由一个5V输入电压对单节锂离子电池进行安全充电(充电电流高达900mA)。由于LTC4059A采用了热调节电路,能够在高功率条件下自动减小充电电流,因此无须针对最坏功耗情形进行设计。其应用对象包括数码相机、便携式POS、便携式诊断设备、蜂窝电话、PDA和具有USB接口的手持式设备等。。
(2)解决方案二
    LTC4052是一款用于单节4.2V锂离子电池和聚合物锂离子电池充电的独立型全集成化脉冲充电器。在由一个5.25V输入电源进行充电时充电电流达0.8A,快速充电时LTC4052的功耗约为280mW。如果采用的是线性充电器解决方案,则功耗将高达1.8W。与采用一个电感器来实现高效率和低散热的开关充电器不同,LTC4052采用的是无电感器型设计。采用LTC4052构成的700mA/2A锂离子电池/聚合物锂离子电池充电器电路的占板面积仅为70mm2,且高度不足1.7mm。通过将功耗降至最低水平,LTC4052放宽了对终端设备热设计的限制条件,从而为采用更小的外壳、空气流量以及PCB面积奠定了基础,并消除了过热点且无须使用散热器和排热风扇。LTC4052采用10引脚MSOP封装形式,是诸如POS系统、打印机、数码相机、PDA和移动存储设备等便携式电子产品的理想选择。
    LTC4052需要一个电流限制型交流适配器来控制充电电流的大小。它具备过流保护功能,在意外使用较大的电流或交流适配器故障时可使锂离子电池原理免遭损坏。LTC4052是一款全集成化的脉冲充电器,不需采用一个外部MOSFET或隔离二极管。LTC4052为具有集成C/10检测、充电状态指示、充电结束定时器、交流适配器检测和过流保护功能的独立型充电器。LTC4052从一个4.5~12V的输入电源中获得工作电压,浮动电压准确度为1%。

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