大容量锂电池的充电
新型便携式电子设计正在不断提升系统性能,设计人员添加新的特性,系统的功率要求也随着其性能提高而增长。这种趋势也导致对容量极大的锂离子电池组进行开发,因为它们能提供充分的系统运行时间。对于大多数便携式消费类产品而言,锂离子电池已经成为首选电源。它们与其他类型的电池相比有很多优越性,如能量密度更高和电池电压更高。但是,随着电池可用容量增大以满足当今不断增长的功率要求,用户对于缩短电池充电时间及缩小电池体积的要求随之增加。实现这些要求成为设计人员面临的重大挑战。
锂离子或锂聚合物电池组的最佳充电速率为1C,这意味着一个1000 mAh的电池组要以1A的电流进行快速充电,以这种速率充电可以实现最短的充电时间,而且不会降低电池组的性能及缩短使用寿命。对于容量不断增加的电池组,欲达到这种满意的充电速率,提高充电电流值是不可避免的。这就导致设计上的一些重大难题,其中最重要的是在充电管理控制器IC内以及在系统板上产生的热量问题。为了解决这些问题,必须进行周密细致的散热设计。下面的分析将表明,在充电管理IC上由集成通路晶体管耗散掉大部分热量,它在很多情况下都是设计性能和运行范围的一个限定因素。
一节和两节锂电池应用中最常用的充电器类型是线性电池充电器,其功耗可以由下式算出：
PD=（VDD－VBATTERY）× ICHARGE
其中：PD：功耗
VDD：输入（适配器）电压
VBATTERY：电池电压
ICHARGE：快速充电电流
上面的公式表明,当输入电压与电池电压之差以及充电电流都高时,最糟的情况就会出现。我们来计算一种典型情况下的功耗,这种情况是汽车适配器或墙上适配器提供5V±10%的供电电压,电池电压为3.0V,而快速充电电流是1A（即对1000 mAh电池以1C的充电速率充电）。在这种情况下功耗为：
PD=（5.5V－3.0V）× 1A = 2.5W
图1 大容量电池组的典型充电电路
MCP7384X提供＋/－0.5%的电压调节精度（最大值）。由于电池充电过度和充电不足都会降低电池的性能并缩短使用寿命,所以充电管理控制器IC为电池提供高精度的电压是非常重要的。超过充电结束电压虽然在短期来说能使可用电池能量增加,但是,持续的过度充电会使可用充电次数明显减少,或引发安全问题。另一方面,充电不足会减少电池的可用容量,从而缩短了电池的可用时间。因此,提供精确调节的电压可充分利用电池容量,而且保证使用的安全性。图2和图3表明,只要电压精度稍有降低,电池容量就会大大减小。
图2 电池容量与充电电压的关系
表1给出,对于业界一些最常用的封装类型,假定功耗为2.5W以及最大结温为125°C的情况下,所允许的最大运行环境温度。
表1
封装类型
热阻 ((C/W)*
最大环境温度 ((C)
MSOP-8
206
-391
SOIC-8
163
-283
MSOP-10
113
-158
SOT-23-6
