锂离子电池充电器IC内的热调节功能可消除过热危险

发布日期 : 2018年04月23日00时00分00秒

当今许多靠锂离子电池供电的手持设备都内建有一个电池充电器，目前通常使用一种线性充电器给这种电池充电，但这种充电器尽管操作更简便和成本更低，但它有一个主要缺点：能耗太高。当输入电压为高和电池电压为低(已放电电池)时，线性充电器产生的热量足以损坏自身或其它邻近元件。在本文中，凌特技术公司提出了一种替代方案，它可解决所有的过热问题而且充电快速。

　　当今许多靠电池供电的手持设备都内建有一个电池充电器。这些电池通常都为锂离子电池，并且其功率密度可在范围400mA小时到1.5A小时变化。你可以使用一种线性充电器给这种电池充电，而且这种充电器通常比基于转换器的方案在外形上明显更小，操作更简便，成本更低，但它有一个主要缺点：能耗太高。当输入电压为高和电池电压为低(已放电电池)时，线性充电器产生的热量足以损坏自身或其它邻近元件。典型地，这种状态(即电池电压随充电的进行而升高)只是暂时现象，但正是这些最糟糕的状态需要设计师在决定充电电流与IC温度的最大容许值时必须充分地加以考虑。当然，一种解决这种过热问题的简单方法是降低充电过程中整个恒流段的充电电流，但这种方法伴随的问题是充电时间的相应延长。

　　不过，凌特技术公司现在提出了一种替代方案，即LTC1733锂离子单电池线性充电器，它解决了所有的过热问题且充电快速。这种新颖的IC采用内部反馈来调节充电电流和限制裸片温度。这意味着更快的充电时间，因为设计师可以通过编程设定一个很高充电电流，而且不会冒任何损坏IC或任何其它元件的风险。这一性能直接带来的另一好处是毋需设计过热保护电路。为了进一步改进热传递性，LTC1733采用了热增强型10针MSOP封装。该IC只需要3个外部元件便可提供一个完整的锂离子充电器解决方案。

　　一个内部功率MOSFET允许编程设定的最大充电电流可达1.5A，精度为7%，以确保充电快速和完全。这种内部MOSFET还可省掉一个外部电流敏感电阻或遏流二极管，最终的无负载电压是引脚可选的，或为4.1V或为 4.2V，精度是1%，这可防止过充带来的危险或欠充造成的电池容量不足。遵从电池制造商的使用要求，LTC1733包含了一个可编程充电终止定时器和热敏电阻输入，以保证充电全过程的温度符合要求。状态输出包括：用以指示充电后期状态的C/10充电检测、决定充电是否可以进行下去的壁式电源适配器状态检测、充电电流监测、以及用以识别坏电池的错误检测。低电池电压充电调理电路(滴充)可安全地为过放电电池充电，并自动续充以确保电池总能充电完全。当没有壁式电源适配器或该部件关闭的时候，为保持电池能量， LTC1733的电池漏电流降到5(A以下。

　　给电池充电
　　给单电池锂离子电池系统充电时，用户须在VCC脚处施加至少4.5V的输入电压。ACPR脚随后降为低电平(pull low)，指示输入电压条件已满足(见图2)。此外，必须用一个1%的电阻器把PROG与GND相连，使额定充电电流设定为100V/RPROG。而后CHPG脚为低电平，指示充电循环开始。TIMER和GND之间用电容器连接，充电终止时间设定为3小时/100nF。

　　如果在充电循环开始时BAT脚的电压低于2.48V，那么，充电电流将为设定值的1/10，以使电池电压足够高，安全实现全充电电流充电(见图3)。如果电池损坏，且在1/4的设定终止时间内电压都升不到2.48V以上，则充电循环终止，且FAULT状态输出将锁存为低电平，指示电池已坏。ACPR、CHRG和FAULT三个状态输出脚全都产生足够的电流衰弱量，使LED亮灯。一旦电池电压升到2.48V以上(充电循环开始后不久会明显表现出来)，LTC1733将为电池提供由RPROG设定的恒定电流。LTC1733将一直保持恒流模式，直到BAT脚的电压接近所选择的最终浮置电压(SEL=0V时为 4.1V ，SEL=VCC时为4.2V)为止。此后，器件进入恒压模式。

　　在恒压模式下，LTC1733将开始降低充电电流以保持BAT脚的恒压而非恒流输出。当电流降至最大设定充电电流的10%时，内部比较器会断开CHRG脚，并将一弱电流源(约25(A)接地，以显示接近充电结束(C/10)状态。

　　与电流达到C/10时便结束充电过程的电池充电器不同，LTC1733在到达C/10点后，只要终止定时器时间不到，会继续给电池充电，以保证电池完全充满。在C/10处终止充电过程使电池只能充到其容量的90%到95%，而在C/10后继续充并按时间要求结束可使电池的容量充到100%。一旦充电结束，CHRG脚便呈现高阻抗状态。

电池的再充电
假定在第一次充电时，电池电压已充到了3.95V(SEL = 0V时) 或4.05V (SEL = VCC时)以上，那么LTC1733可对电池进行再充电。一旦超出这些阈值，如果电池电压因电池负载的存在或电池的自放电电流而掉到3.9V (SEL = 0V)或4.0V (SEL = VCC)以下时，则新一轮的充电循环开始了。再充电电路集结BAT脚电压数毫秒，以防止充电循环重启造成的瞬态冲击。

热调节
　　LTC1733的另一个特性是具有内部热调节回路。如果高功率操作或高的环境温度导致LTC1733的温度接近105(C，那么充电电流会自动降低以将温度保持在105(C左右 (板温度通常低于85(C)，这便是所谓的恒温模式。这一特性允许用户基于具体的工作条件设定充电电流，并去掉许多线性应用必需的复杂过热保护设计。

　　LTC1733会自动监视最糟状态，这一特性除可保护LTC1733外，还能去除板上的“热点”区，从而保护周边元件。其它的电池充电器，其热关闭特性只是简单地在极高温度下(一般是150(C)关闭充电器而已。这种基于温度的关闭特性允许电池充电器和周边PCB板温度升至非常高，尽管具备关闭“保护”功能，但必须对应用进行仔细设计以避免到达热关闭温度。LTC1733通过自动均衡充电电流、散热和工作温度，可使设计得到简化。

　　为进一步改进LTC1733的热调节性能，它采用了热增强型MSOP封装。其占用板面积可做到小于72 mm2，室温功耗2W。这相当于用5V输入电源实现最大充电电流1.5A。这里假定锂离子电池在充电大部分时间里处于(3.7V状态。实际上，由于典型的锂离子电池在充电开始几分钟内便升到3.8V以上，因此这一假定有些保守。LTC1733的这一独特热特性和7%的设定充电电流精度，使单电池锂离子电池系统的充电过程非常迅速和精确。

　　PROG电流监控器
　　在恒流模式下，PROG脚的电压总为1.5V，指示设定的充电电流从BAT脚流出。在恒温或恒压模式下，BAT脚的电流有所下降。PROG脚与三个开漏状态输出(ACPR、CHRG和 FAULT)时刻通告用户LTC1733到底在做什么。

　　NTC热敏电阻
　　除了可编程定时器和低的电池充电限定条件外，LTC1733在推荐给电池制造商的安全性特性列表中还增加了充电时的温度限定。电池温度通过紧贴电池组放置一只负温度系数(NTC)热敏电阻来测定。借助IC中的内部温度限制电路，LTC1733在电池温度降到0(C以下或升到50(C以上时，可临时停住内部定时器并停止充电。实施这一功能，选用RHOT的电阻值应与50(C下所用热敏电阻的阻值相同。这样将可以确保内部比较器的1/2VCC摔点(trip point)与NTC的50(C温度相对应。

　　还有，选定的NTC热敏电阻在0(C时的阻值应尽量接近50(C时阻值的7倍。7：1的冷热NTC比率可确保内部比较器7/8VCC的摔点与NTC 0(C的温度相对应。每个热和冷比较器都有约2(C的滞后以防摔点的振荡。另外，NTC可以不使用任何外部元件，只简单地通过将NTC脚接地就可使其功能失效。

　　结论
　　LTC1733是一种全功能的独立锂离子电池充电器。其结构极为简单，只需要三个外部元件，就可安全精确地将高容量电池快充至1.5A的充电电流。在体现安全性及状态特性方面，可加上一只NTC热敏电阻和几个LED。目前许多用锂离子电池作供电电源的设备可采用这种类型的充电器，如数字静态照相机(DSC)、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、MP3播放机以及GPS系统等。

　　值得注意的是，对上述诸多产品中有许多产品，有一种需求越来越强烈。就是通过ＵＳＢ接口插入一个主设备时，电池正在充电。尽管LTC1733可用于这类充电应用，但USB端口的可获电流量有限，或500mA 或 100mA，依连接外设的数量而定。而在这些应用中LTC1733存在的一个缺陷是关闭模式下的静态电流为0.9mA。这是一个难点，因为USB规范定义了一种暂停(SUSPEND)模式，即在USB+5V的情况下，漏电电流必须低于500(A。不过，凌特技术公司还有LTC4053，一种与USB兼容的锂离子电池充电器。它在关闭模式下源电流仅为25(A。所以，当外设在USB请求暂停模式时，将中LTC4053，以满足所要求的漏电电流限制。

凌特公司（Linear Technology）推出独立的开关模式锂离子电池充电器 LTC4002，工作电源电压可高达 24V，从而不需要 9V 和更高电压墙上适配器所需的输入瞬变保护。另外，器件的 4.7V 低输入电源以及低压差工作特性保证了 4.2V 锂离子电池可从 5V 墙上适配器持续充电。为了实现安全自主的充电控制，LTC4002 还包括自动关机、电池预查验、电池温度检测、充电结束指示以及一个充电 3 小时终止定时器等特性。

　　与迟滞拓朴结构充电器相比，LTC4002 恒定的 500kHz 工作频率和电流模式结构允许使用更小的电感器和电容器。由于 100mV 的低检测电压，所以很容易达到超过86%。这种独立的充电器有两种封装，3mm×3mm DFN 和 8 引线 SO。LTC4002 可应用于手持式仪表和通信装置、充电座、便携式计算机以及电池备份系统。

　　LTC4002 是一种高效率电流模式 PWM 控制器，开关频率为 500kHz。它驱动一个外部 P 沟道 MOSFET，以最高 87% 的效率提供高达 2A 的充电电流。这种集成电路的恒定开关频率将噪声和滤波需求减至最低。配合使用各类输出电容器（包括低 ESR 陶瓷电容器），LTC4002 都是稳定的。一个内部比较器检测充电结束电流，而集成的定时器设定总充电时间，并在三小时后终止充电。LTC4002 自动进入休眠模式，使电池耗用电流降至 10uA。而且，当电池电压降至 4.05V 以下时，这种集成电路还能自动开始充电
。
　　LTC4002 的工作温度定在－40°C 到 85°C。以 1000 片为单位批量购买，每片起价为 1.95美元。

　　LTC4002 性能概要：