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鋰離子電池充電器的發熱問題一直是電子工程師在進行鋰離子電池充電器設計時的難點之一，如果設計不周密，會帶來安全問題。從電量和容量兩方面來講，鋰離子電池的能量密度都很大，因此廣泛應用于便攜式設備，如PDA、MP3、手機、數碼相機等。由于高集成度線性電池充電器簡單易用、成本低、體積小，因此廣泛應用于為單體鋰離子電池充電。但是，如果用不具備熱調節功能的適配器給便攜式系統鋰離子電池充電，線性充電器的散熱難題就會凸顯出來，難以保證在安全散熱范圍內工作。這里介紹一種基于TI公司的鋰離子電池充電器專用芯片BQ24060、支持熱調節保護功能的鋰離子電池充電器的設計方法。它不僅能夠使工程師完善散熱方面的考慮，同時還能極大化充電率，盡可能縮短充電時間，同時具備輸入過壓保護(VOP)功能。有著較強的實用性。 1 BQ24060芯片功能特點 BQ24060是TI公司的一個高集成的鋰離子電池充電管理IC，其功能引腳如圖1所示，表1介紹了各引腳功能。BQ24060提供能在有限空間里完成多功能的、安全的滿充電的鋰離子電池充電器設計，其內部集成了1 A功率FET以及電流傳感器，因而能夠承受高達26 V的輸入電壓。該產品還提供具備獨特安全與低壓降特性的全面充電管理功能，以延長電池使用壽命。BQ24060可以使鋰離子電池分三階段進行充電：預充電方式、恒流熱調節充電方式、精確恒壓充電方式。充電終止是基于一個最小電流。內部可編程充電定時器為充電終止和在熱調節狀態動態調節提供安全保障。 BQ24060充電算法縮短了充電時間，實現了總充電量的最大化，并可保護電池免遭過熱損壞或電損壞。當電池電壓降到內部閾值以下時，BQ24060會重新開始充電，如果去除外部輸入電源，那么就會進入低功耗睡眠模式。BQ24060集成了反向阻斷保護機制，以避免在沒有DC供電的情況下發生電池漏電的情況。此外，BQ24060經過配置后，還能在LDO模式下工作，這樣，即使沒有電池，系統也能完全正常工作。在終端設備制造過程中，LDO模式的特性對全面系統測試前的電路板測試也相當有用。 BQ24060還提供過壓保護特性，在高壓情況下，該器件能夠迅速將充電器和系統與適配器相斷連，從而實現保護功能。此外，即使在環境溫度較高的惡劣環境下，增強型熱過載保護穩壓特性也能確保BQ24060長期正常工作，比如夏季在汽車中工作，或錯誤地連接至輸入電壓較高的適配器。 2 BQ24060的關鍵技術特性 BQ24060的關鍵技術特性為：熱穩壓特性最大化充電率；計時器引腳浮動時在LDO模式下工作；通過過壓保護將最大輸入電壓設置為26 V；集成功率FET與電流傳感器，以滿足最大1 A充電應用的需求；反向漏電保護可避免電池漏電；穩壓精度在±0．5％以內；最小電流時充電終止；預充電調節具備安全計時器功能；針對LED或系統接口的狀態輸出可指示充電與故障情況，提供電源狀態良好指示；短路與熱保護。 3 BQ24060芯片熱調節保護功能 一個典型的充電過程包括三個充電階段．如圖2所示：預充電階段(Pre-Conditioning Phase)、快充恒流(CC)階段(Current Regulation Phase)、恒壓(CV)終止階段(Voltage Regulation and Charge TerminationPhase)。在預充階段，在電池電壓低于某一定值．如3．O V時，電池以較低速率充電。通常情況下，當電池電壓達到3．O V時，充電器就會進入CC階段。快充CC階段通常限制在1 C電池額定值以下。如果充電率超過1 C，那么電池使用壽命就會縮短，因為節點上積存的金屬鋰會與電解質發生反應，造成永久損失。最后，充電器會進入CV階段，這時它將保持峰值電池電壓，并在充電電流下降到預定義大小時終止充電。線性充電器的功耗計算公式： 如何改進設計才能確保充電器在安全散熱范圍內正常工作，TI公司的鋰離子電池充電專用芯片BQ24060，引入了熱調節環路，可避免充電器過熱，給工程師設計安全的充電器提供了方便。BQ24060內部芯片溫度達到預定義的溫度閾值后(如110℃)，IC溫度只要進一步提升就會讓充電電流下降，這有助于限制功耗，并為充電器提供熱保護。使結溫升高到熱調節的極大功耗取決于PCB板布局、散熱通孔的數量以及環境溫度。從圖3中看出，1．2 s之后，熱環路會在2 s以內將有效充電電流從1．2 A降到600 mA。 采用BQ24060專用芯片設計的充電器，其充電過程如圖4所示，充電器從預充電階段轉向快充模式時，充電電流IBAT受芯片結溫TJ的限制而緩慢上升，其間經歷了一個熱調節過程后，充電電流IBAT達到快充電流，進入恒流充電狀態，此后結溫開始下降，保證了充電器工作于安全狀態。 如果非理想的工作條件引起IC結溫達到極限值Tj，充電循環激活內部控制回路系統將被調節，并控制其它充電控制回路，進而減小充電電流，直到IC結溫小于Tj，使IC工作于安全溫度下。 熱調節通常在快充早期階段進行，不過如果在CV模式下它仍然工作的話，充電電流就會過早達到充電終止閾值。為了避免錯誤充電終止，只要散熱調節回路在工作，電池充電終止功能就會被禁用。此外，有效充電電流降低會延長電池充電時間。如果充電安全計時器有固定設置的話，就會過早終止充電。BQ24060采用動態安全計時器控制電路，能在熱調節階段有效延長安全時間，并盡可能降低安全計時器的故障幾率。從圖5中可以看出，熱調節模式下的安全計時器的響應與有效充電電流成反比。 外部熱敏電阻RT1和RT2可以用來設置選擇溫度控制充電窗口，如圖6所示。假設RTH和RTC是熱敏電阻的高低溫極限值，RT1和RT2是負溫度系數熱敏電阻，則RT1和RT2可以用如下公式計算，先計算RT2，然后將RT2代入計算RT1： 對于某熱敏電阻，如果0℃和45℃對應的阻值分別為27．28 kΩ和4．912 kΩ，代入上面兩式，得： 4．2 快充電流750 mA的設計 快充電流的設置是通過調節BQ24060的第6腳ISET端與地Vss間的阻抗RISET的值來決定的，其計算公式如下： 通過查BQ24060的電特性表可得VSET=2．5 V，KSET=335，當，IOUT=O．75 A時，可得： 因此，在BQ24060的第6腳ISET端與地間連接了一個1．13 kΩ的電阻，如圖6所示。 4．3 5h安全計時器工作時間的設計 BQ24060的安全計時器工作時間是通過設置其第2腳TMR與地間的阻抗RTMR來決定的。其計算公式如下： 通過查BQ24060的電特性表可得KCHG=0．1 h／kΩ，則當TCHR=5h時，有RTMR=5／0．1=50 kΩ。因此，在BQ24060的第2腳TMR與地間連接了一個49．9 kΩ的電阻，如圖6所示。 5 PCB設計 BQ24060采用有利于散熱的MLP封裝形式，這種封裝形式可提供一個熱端面，通過直接焊接的方式使IC與印刷線路板間有效熱接觸，可靠焊接后，通過熱傳遞PCB就相當于一個蓄熱裝置。這樣在設計PCB時就可以合理優化設計，從而最大限度地保證良好的熱傳導路徑和蓄熱特性，從而使系統獲得極佳的熱穩定性能。本著就近原則，在電源輸入端與地之間一般放置一個1 μF以上的陶瓷電容，以加強高頻濾波，并有利于充電器短暫熱插拔。該設計放置了一個4．7μF的陶瓷電容，最好通過過孔直接與地層相連。該電容值應大于電源輸出端放置的電容值。在電源輸出端放置一個2．2μF的電容，同樣在布板時該電容要求就近與電源輸出端相連，并要求短距入地，最好通過過孔直接與地層相連。BAT和ISET端間，放置一個0．47 μF的陶瓷電容，有助于回路的穩定性。在布板時，所有小電流的地應與大電流地相互隔離，可采用單點地技術使小信號地與大信號地連接，在走線時要注意小信號地與大信號地的前后關系，避免共模干擾。 6 結 語 實際上，鋰離子電池充電器的要求比較高，既要實現快充，又要保證安全，其技術難點就在于電池的發熱問題。這里介紹的支持熱調節保護功能的鋰離子電池充電器的設計方法，不僅能夠使工程師完善散熱方面的考慮，同時還能極大化充電率，盡可能縮短充電時間，同時具備輸入過壓保護(VOP)功能，有著較好的實用性。 |
