使用雙極晶體管進(jìn)行鋰離子電池充電

序言

隨著便攜式手持設(shè)備(如手機(jī)、PDA等)的功能不斷增加，加上對較小體積與更長電池壽命的要求，使得鋰電池成為許多此類設(shè)備的首選供電能源。本文將討論線性充電技術(shù)與相關(guān)的離散調(diào)節(jié)元件，并重點(diǎn)討論主要離散參數(shù)與選擇標(biāo)準(zhǔn)。

鋰離子電池充電周期

為模擬充電電路中的主要功率損耗，以便選擇正確的元件，我們必須了解鋰離子(Li-Ion)電池的充電周期。顯示了單個鋰離子電池的典型充電周期。預(yù)充電壓閾值(V_PRE)、上端電池電極電壓閾值(V_t)、以及再充電閾值(V_RECHG)，取決于鋰離子電池的種類及不同的生產(chǎn)商。而預(yù)充與上端電壓極限的電壓差取決于電池的內(nèi)部化學(xué)性質(zhì)。

典型充電周期分為預(yù)充，快速充電(恒流)，快速充電(恒壓)以及充電終止4個階段。單個鋰離子電池的典型滿充周期為3小時。V_LPROT和V_HPOT是高低保護(hù)電壓閾值，適用于具備內(nèi)部保護(hù)電路的電池。

使用線性充電器對電池充電

線性充電器設(shè)計(jì)簡單，體積較小，并且沒有“開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器”常有的噪音，這些優(yōu)點(diǎn)使得線性充電器特別適用于小功率、低噪音應(yīng)用。線性充電器使用外部調(diào)節(jié)元件，以將電池電壓由輸入電源降至電池電壓，因此功率損耗較大。顯示具備外部調(diào)節(jié)元件與反向阻斷肖特基二極管的典型線性充電器應(yīng)用。

調(diào)節(jié)元件Q1可以是MOSFET或雙極晶體管。MOSFET需要串聯(lián)反向阻斷肖特基二極管，以阻止電流通過體二極管，由電池流向電源。也可以使用兩個MOSFET，一個作為調(diào)節(jié)元件，另一個作為反向阻斷二極管。但是，作為反向阻斷裝置的肖特基二極管，其成本較MOSFET低。多數(shù)PNP晶體管可為單室鎳鎘與鎳氫電池提供反向阻斷能力，但此能力并未得到確定或保證。鋰離子電池(包括4.2V單室電池)，一般均需要阻斷二極管與標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管串聯(lián)。Zetex提供多種特定應(yīng)用晶體管，單室鋰離子電池充電所需的反向阻斷能力得到充分保證。

線性電池充電器由于充電電壓的余量較低(尤其當(dāng)使用USB總線供電的充電器時)，因此需要額外肖特基二極管以實(shí)現(xiàn)反向阻斷。USB電源電壓可在4.4V至5.25V之間浮動。

恒流階段過程中，電池電壓增加，晶體管集電極發(fā)射極電壓降低，直至晶體管接近飽和區(qū)且增益開始下降。充電控制器透過傳感電阻器檢測到這一情況，并透過增加基極驅(qū)動加于補(bǔ)償，由此保持充電電流。因此，晶體管飽和特性對于充電周期此時輸送充電電流十分重要，必須低于最低電路電壓，同時，應(yīng)考慮電壓與電池電壓、傳感器電壓降以及所使用的任何二極管的正向電壓。應(yīng)明確指出的是，當(dāng)輸入電壓較低(如4.4V)，飽和特性更顯重要。

此電路的USB端口輸入電壓為4.75V(高功率USB端口電壓范圍的下限)，充電電流為500mA。反向阻斷肖特基二極管正向壓降為0.35V。如果晶體管的飽和電壓為0.3V，傳感電阻器的電壓(V_s)則為4.1V。傳感電阻器的電壓可進(jìn)一步下降，電池的電壓低于4.1V時將不足以充滿鋰離子電池。當(dāng)電源電壓低至4.4V(如低功率USB端口)，此情況更為嚴(yán)重。

Zetex的特定應(yīng)用晶體管具備極低飽和電壓，且無需反向阻斷二極管即可對單室鋰離子電池進(jìn)行線性充電，因此可保持必要的余量。

圖3顯示典型USB總線供電單室鋰離子線性電池充電器應(yīng)用，在此應(yīng)用中，Zetex低飽和ZXTP25020CFF雙極PNP晶體管同時具備反向阻斷能力。

ICI驅(qū)動能力通常可為5mA至50mA，并可能需要250gA至lmA的靜態(tài)電源電流。

功率損耗計(jì)算

當(dāng)電池處于預(yù)充電壓閾值(V_PRE)，充電階段進(jìn)入快速充電—恒流階段，此時將產(chǎn)生最大功率損耗。對于正常工作狀態(tài)時出現(xiàn)最高功率損耗的情況，其主要功率損耗區(qū)及計(jì)算范例如下所示。

此應(yīng)用實(shí)例的電池規(guī)格為：

電池：單室鋰離子500mAh

如用于便攜式手持設(shè)備(手機(jī)、MP3播放器等)

預(yù)充電、快速充電——恒流以及快速充電一恒壓階段開始時，可采用類似計(jì)算方法。當(dāng)選用PNP晶體管時，必須采用上述最高功率損耗方案，以滿足功率與溫度處理的要求。

電源電壓與電池電壓的差值越大，充電器的效率就越低。

最大允許充電電流取決于PNP裝置的熱處理能力、電路板的熱阻抗以及電源電壓與電池之間的電壓差。功率損耗需與裝置上PCB銅箔面積的熱阻抗相匹配，以將裝置與匯接處溫度維持于正常工作范圍內(nèi)。

雙極PNP晶體管選擇

為選擇適合線性充電器應(yīng)用的雙極元件，必須考慮以下參數(shù)：

·集電極一發(fā)射極擊穿電壓。

·工作ICHG/IB條件下的低回動電壓(飽和電壓)。

雙極晶體管的低回動電壓允許電池透過低余量電源進(jìn)行充電(即電源與電池電壓之間的低差動電壓)。

·hFE增益。

為允許充電器IC的較低基極驅(qū)動，雙極型元件應(yīng)具備高h(yuǎn)FE增益。

·反向阻斷電壓能力。

PNP晶體管應(yīng)具備反向阻斷能力，以用于單室鋰離子線性電池充電器。反向阻斷能力使得USB電池充電(或相似電源電壓范圍)可以無視上述的電壓余量問題，并且，由于不再需要肖特基二極管，即降低了方案成本，也減少了裝置體積。

·雙極元件的功率與熱處理能力及其封裝。

對于便攜式設(shè)備，晶體管封裝體積十分重要，但仍要求具備良好的功率與熱處理能力。

線性充電器應(yīng)用分為：

a)USB充電

USB集線器端口可以提供100mA至500mA的電流，電流的大小取決于集線器是USB總線供電型或自供電型。自供電型集線器的每個端口均可提供達(dá)至500mA的電流，而總線供電型集線器的每個端口僅可提供100mA的電流。USB適應(yīng)端口的電壓饋送，100mm端口為4.4V至5.25V，500mA端口為4.75V至5.25V。

透過USB端口進(jìn)行充電的線性電池充電器，必須符合USB電壓與電流規(guī)格。

b)透過低電壓DC-DC或AC-DC墻上適配器進(jìn)行充電

線性電池充電器可由供電能力達(dá)至700mA的低電壓AC-DC墻上適配器進(jìn)行供電。墻上適配器的電壓范圍通常為4.5V至5.5V，最高可達(dá)至7V。當(dāng)出現(xiàn)高輸入電壓時，肖特基二極管可用于分擔(dān)功率損耗，由此允許較大充電電流。

Zetex提供多種反向阻斷肖特基二極管，如溫度為25℃，電流為500mA時，典型正向電壓降為0.35V的ZHCSl000。

c)使用高電壓充電

對于高達(dá)50mA的充電電流以及高達(dá)36V的高電壓，線性充電器仍可提供簡單、低成本的解決方案。利用汽車電池對手提裝置充電的外置線性充電器便是此類應(yīng)用的實(shí)例之一。

由于充電電流取決于PNP裝置的功率與熱處理能力，以及電源電壓與電池之間的電壓差，高于50mA的充電電流可由低于36V的電源提供。

對于汽車應(yīng)用，需要應(yīng)對負(fù)荷突降的附加保護(hù)。

結(jié)語

從功率損耗分解計(jì)算中可看出，在線性電池充電周期的所有階段中，充電器電路的主要損耗在于調(diào)節(jié)元件的通電損耗。當(dāng)鋰離子電池處于預(yù)充電壓閾值，且恒流充電階段開始，此時的快速充電功率損耗最明顯，并將達(dá)至極限。調(diào)節(jié)元件需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)為功率與熱額定值、飽和電壓、反向阻斷能力以及封裝。Zetex的特定應(yīng)用低飽和電壓雙極PNP晶體管可提供反向阻斷，同時保持必要的充電電壓余量，適用于單室鋰離子線性充電器應(yīng)用。