通過2A連續(xù)充電縮短高容量鋰離子電池的充電時(shí)間

高容量鋰離子電池滿足了耗電便攜式設(shè)備的需求，但它們也增加了對電池充電器的要求——對于標(biāo)準(zhǔn)線性充電器來說，這些要求可能過高。例如，以 1A 充電電流運(yùn)行的線性充電器在一小時(shí)內(nèi)將 1Ahr 電池充電至 70% 容量，并在三小時(shí)內(nèi)充滿電。較新的 2Ahr 電池需要兩倍的電流才能在相同的時(shí)間內(nèi)充滿電。問題在于，工作電流為2A的線性充電器會(huì)產(chǎn)生太多的熱量，無法連續(xù)充電，效率太低。LTC4001 通過集成一個(gè)高效率 PWM 充電器來執(zhí)行連續(xù)的 2A 電池充電，從而解決了這一問題。它可與標(biāo)準(zhǔn)和限流壁式適配器配合使用，后者可降低電池充電器的耗散和工作溫度。

大功能;占地面積小

基于 LTC4001 的全功能電池充電器需要的面積不超過一角硬幣。包括完全可編程的定時(shí)器和充電速率終止。還包括自動(dòng)電池“加電”。濾波可防止在嘈雜的環(huán)境中發(fā)生意外充電（例如在GPRS蜂窩電話中發(fā)現(xiàn)）。LTC4001 可與 NTC 熱敏電阻配合使用，以實(shí)現(xiàn)電池溫度檢測。包括遠(yuǎn)程電池感應(yīng)。軟啟動(dòng)是完全可編程的。LTC4001 還驅(qū)動(dòng)充電狀態(tài) LED，并為基于微處理器的設(shè)計(jì)提供邏輯信號(hào)。

LTC4001 纖巧型，適合采用 4mm × 4mm 封裝，但其他因素也會(huì)導(dǎo)致充電器的小占位面積。高工作頻率 （1.5MHz） 減小了電感器和電容器的尺寸。內(nèi)置輸入短路阻斷功能，因此無需外部二極管。電流檢測是內(nèi)部的，因此不需要昂貴的毫歐尺寸電流檢測電阻。

LTC4001 內(nèi)部

LTC?4001 是完整的 2A 鋰離子電池充電器的基礎(chǔ)（圖 2）。一個(gè)50mA線性充電器提供電池調(diào)節(jié)，而一個(gè)同步降壓充電器提供恒流/恒壓高倍率充電（高達(dá)2A）。保護(hù)和鎖定可防止各種事件，包括：電池和墻上適配器輸入短路;充電電流編程不當(dāng);打開電池和/或過壓電池;電池有缺陷;墻上適配器電壓不足;芯片過溫;電池溫度過高或過低。

圖2.LTC4001鋰離子電池充電器的簡化框圖。

裸骨充電器

圖3顯示了一個(gè)裸露的2A電池充電器。這款充電器只有五個(gè)附加組件，可提供高效、高功率的解決方案。這種實(shí)現(xiàn)省略了狀態(tài)指示燈、電池溫度監(jiān)測和定時(shí)器（可以由微處理器提供）。代替計(jì)時(shí)器，當(dāng)充電電流降至高速充電電流的十分之一以下時(shí)，充電終止（在這種情況下，IDET閾值等于200mA）。通過將定時(shí)器引腳連接到IDET引腳而不是接地（允許微處理器完全控制充電端接），可以完全破壞內(nèi)部充電端接。

圖3.一個(gè)裸露的電池充電器。

添加狀態(tài)指示燈

CHRG 引腳指示各種充電器狀態(tài)（表 1）。將此引腳串聯(lián)的電阻器和 LED 添加到 V在（圖 4） 表示充電器關(guān)閉（LED 熄滅）、高速率充電或電池調(diào)節(jié)（LED 在高亮度下持續(xù)亮起）和電池溫度超出范圍/NTC 故障（LED 閃爍）。

圖4.一個(gè)簡單的狀態(tài)指示器。

LED 還會(huì)指示電池何時(shí)接近充滿電。當(dāng)電池接近浮動(dòng)電壓并且充電電流降至I德特閾值指示燈亮起昏暗。這很難看出，因此更好的方法是使用兩個(gè) LED 來指示所有充電器狀態(tài)（圖 5）。

圖5.全功能狀態(tài)指示。

與微處理器接口

圖6中的接口可以區(qū)分CHRG引腳上可用的所有狀態(tài)。要檢測電池調(diào)節(jié)或高速率充電，請強(qiáng)制數(shù)字輸出引腳OUT為高電平，并測量CHRG引腳上的電壓。N 溝道 MOSFET 將 CHRG 拉低，即使使用 2k 上拉電阻也是如此。接近充電結(jié)束時(shí)，NMOS 關(guān)斷，CHRG 僅吸收 30μA 電流。IN引腳由連接到OUT的2k電阻器拉高。如果將OUT置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，則來自CHRG引腳的30μA灌電流將拉入低電平。當(dāng)充電停止時(shí)，CHRG 打開并且 OUT 保持高電平，即使使用 390k 上拉電阻也是如此。

圖6.微處理器接口。

如果在高速率充電期間發(fā)生電池溫度故障，CHRG 引腳將使用鋸齒狀脈沖模式閃爍。該模式的標(biāo)稱時(shí)序如圖7所示。額外的邊沿為微處理器提供快速指示，可用于驅(qū)動(dòng)微處理器中斷線以降低處理器開銷，但在使用 LED 時(shí)仍提供可見的故障指示。

圖7.CHRG溫度故障波形。

電池溫度檢測

通過增加一個(gè)電阻和一個(gè)熱敏電阻，可以包括電池溫度檢測。LTC4001 專為 Vishay Dale 的“R-T 曲線 2”熱敏電阻而設(shè)計(jì)，但任何具有 R冷-to-R熱大約 7 的比例也可以。如果不需要電池檢測，則NTC引腳接地。

使用傳統(tǒng)和限流墻式適配器操作

具有或不具有電流限制功能的墻上適配器可與 LTC4001 配合使用，但功耗最低的電池充電采用一個(gè)限流墻上適配器。要使用此功能，請將 LTC4001 編程為高于墻上適配器電流限值。例如，如果墻上適配器的電流限值為 2A，則將 LTC4001 充電電流設(shè)置為略高于 2A （允許容差）。

為了理解限流壁式適配器的操作，假設(shè)電池電壓VBAT最初低于VTRIKL，即涓流充電閾值（圖8）。電池充電開始于約50mA，遠(yuǎn)低于壁式適配器電流限制，因此LTC4001（VIN）的電壓是壁式適配器的額定輸出電壓（VADAPTER）。電池電壓上升，最終達(dá)到VTRIKL。線性充電器關(guān)閉，PWM（高速率）充電器使用軟啟動(dòng)打開。電池充電電流在軟啟動(dòng)循環(huán)期間上升，導(dǎo)致墻壁適配器負(fù)載電流相應(yīng)增加。當(dāng)壁式適配器達(dá)到電流限制時(shí)，壁式適配器輸出電壓崩潰，LTC4001 PWM充電器占空比上升至100%（LTC4001降壓調(diào)節(jié)器中的頂部PMOS開關(guān)持續(xù)接通。）當(dāng)電池電壓接近VFLOAT時(shí)，浮動(dòng)電壓誤差放大器命令PWM充電器提供小于ILIMIT的電壓。墻壁適配器退出電流限制，VIN跳回到VADAPTER。電池充電電流隨著VBAT的上升而持續(xù)下降，在VFLOAT時(shí)降至零。

圖8.理想化的充電行為。

由于 LTC4001 中的壓降在充電電流最高時(shí)非常低，因此功耗也非常低。

低耗散

涓流充電使用線性充電器，但低充電電流產(chǎn)生低功耗，典型值為256mW （V在= 5V， V.BAT= 0）。高速率充電使用高效降壓開關(guān)，1A 時(shí)充電器總功耗約為 2.2W（圖 9）。使用限流壁式適配器進(jìn)行高速率充電可產(chǎn)生更低的充電器耗散（V 時(shí)為 537mW）.BAT= 4.2V （采用一個(gè) 2A 電流受限的墻上適配器），因?yàn)?LTC4001 內(nèi)部的電池充電路徑的壓降非常小。

圖9.高倍率充電器功耗。

那么，LTC4001 的耗散如何與一個(gè) 2A 線性充電器相媲美呢？線性充電器的大部分耗散發(fā)生在串聯(lián)調(diào)整元件中，因此耗散大約等于調(diào)整元件中的壓降乘以充電電流。最壞情況的耗散發(fā)生在發(fā)生高速率充電的最低電池電壓處 （為了與 LTC4001 進(jìn)行有效的比較，功耗為 2.85V）。對于5.0V輸入，這意味著4.3W的功耗！較高的輸入電壓使情況變得更糟。

具有所有花里胡哨的充電器

全功能電池充電器如圖10所示。它包括一個(gè)三小時(shí)定時(shí)器、電池溫度監(jiān)控、可編程充電和 I德特電流、遙感和狀態(tài)燈。包括一個(gè)故障燈，用于指示何時(shí)檢測到電池短路或電池超出正常溫度范圍。

圖 10.功能齊全的電池充電器。

結(jié)論

LTC4001 為小型、低部件數(shù)、全功能、高效率鋰離子電池充電器樹立了新標(biāo)準(zhǔn)。低功耗使連續(xù)2A電池充電變得實(shí)用，將功耗降至直線線性充電器的五分之一左右。

審核編輯：郭婷