支持热调节和输入过压保护功能的安全增强型线性锂电池充电器

1 电池的充电要求

充电曲线适用于锂离子电池充电，它包括3个充电阶段：预充阶段、快充恒流(CC)阶段、恒压(CV)终止阶段。在预充阶段，在电池电压低于3．0 V时，电池以较低速率充电。通常情况下，当电池电压达到3．0 V，充电器就会进入CC阶段。快速充电阶段CC通常限制在1 C电池额定值以下。如果充电率超过1 C，那么电池使用寿命就会缩短，因为节点上积存的金属锂会与电解质发生反应，造成永久损失。最后，充电器会进入CV阶段，这时它将保持峰值电池电压，并在充电电流下降到预定义大小时终止充电。

电池容量是电池电压的函数，电压越高，容量就越大。不过，如果电池电压升高，就会导致电池使用寿命缩短。例如，如果用4.3 V电压给电池充电，那么容量就会提高10％，但电池使用寿命会缩短一半。另一方面，如果电池充电不足，比理想电压状态低40 mV，那么容量就会降低约8％。因此，非常精准的电池充电电压至关重要。

2 支持输入OVP的热调节电池充电器
图1为支持热调节和输入OVP的低成本单独线性电池充电器电路。该充电器能将适配器的DC电压降到电池电压水平。线性充电器的功耗计算公式： 

充电器从预充阶段转向快充模式时，输入电压与电池电压之间有较大差值，这时功耗会达到最高。例如，如果用5 V适配器来给1 200 mAh锂离子电池充电，那么在1 A充电电流与3．2 V电池电压下的最大功耗为1．8 W。如果采用3 mmx3 mm QFN封装，热阻抗为47℃/W，这样的功耗会造成85℃的温度提升。在45℃环境温度下，结温超过125℃的工作温度极限。在充电开始阶段，很难将结温控制在安全散热范围内。随著电池电压在充电阶段不断升高，功耗也会下降。充电进入CV模式后，功耗会进一步下降，而充电电流也开始下降。

如何改进设计才能确保充电器在安全散热范围内正常工作呢?更高级的电池充电器(如bq2406x与bq2403x)引入了热调节环路，可避免充电器过热。内部芯片温度达到预定义的温度阈值后(如110℃)，器件温度只要进一步提升就会使充电电流下降。这有助于限制功耗，并为充电器提供热保护。使IC结温升高到热调节的最大功耗取决于PCB板布局、散热通孔的数量以及环境温度。从图2看出，1．2 s之后，热环路会在2 s内将有效充电电流从1.2 A降至600 mA。

热调节通常在快充早期阶段进行，不过如果在CV模式下器件仍然工作的话，充电电流会过早达到充电终止阈值。为了避免充电误终止，只要散热调节回路在工作，电池充电终止功能就会被禁用。此外，降低有效充电电流会延长电池充电时间，如果充电安全计时器有固定设置的话，就会过早终止充电。bq2406x采用动态安全计时器控制电路，能在热调节阶段有效延长安全时间，并尽可能降低安全计时器的故障率。从图3中可以看出，热调节模式下安全计时器的响应与有效充电电流成反比。

启用电池充电功能后，内部电路会生成与ISET引脚设置的实际充电电流成正比的电流。电阻器RSET上生成的电压反映的是充电电流。该电压可由主机监控，以获取充电电流信息。

为锂离子电池充电的适配器有很多种。低价位适配器的稳压输出可能不太理想，空载下的输出电压也高于正常负载情况。此外，在电池热插人情况下，充电器输入电压会达到适配器电压的两倍，这是由线缆电感和电池充电器输入电容间的共振造成的。为了在输入电压高于预定义阈值时提高安全度，bq2406x充电器的输入OVP功能将禁止充电。

LDO模式(TMR引脚开路时)可禁止充电终止电路或电池检测电路工作。并将安全定时器时钟保持在复位状态。该模式通常用于无电池或正在进行测试的工作环境。
  许多应用都要求在电池充电同时给系统供电。如图l所示，系统直接连接到电池充电输出，系统和充电器间的相互影响会使安全计时器生成错误充电终止信息。图4为能够解决上述问题的典型应用电路。这里有两个独立的电源路径，一个给电池充电，另一个给系统供电。如果AC适配器不可用，那么电池放电MOSFET在R4和C2设置的时间延迟之后就会打开，这样电池就能给系统供电了。
3 总结

支持热调节功能的线性电池充电器能显著提高散热设计与安全性。利用输入OVP机制，只有经过认可的适配器才能给电池充电，从而提高系统安全性。