高容量鋰離子電池滿足了耗電便攜式設備的需求,但它們也增加了對電池充電器的要求——對于標準線性充電器來說,這些要求可能過高。例如,以 1A 充電電流運行的線性充電器在一小時內將 1Ahr 電池充電至 70% 容量,并在三小時內充滿電。較新的 2Ahr 電池需要兩倍的電流才能在相同的時間內充滿電。問題在于,工作電流為2A的線性充電器會產生太多的熱量,無法連續充電,效率太低。LTC4001 通過集成一個高效率 PWM 充電器來執行連續的 2A 電池充電,從而解決了這一問題。它可與標準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器和充電速率終止。還包括自動電池“加電”。濾波可防止在嘈雜的環境中發生意外充電(例如在GPRS蜂窩電話中發現)。LTC4001 可與 NTC 熱敏電阻配合使用,以實現電池溫度檢測。包括遠程電池感應。軟啟動是完全可編程的。LTC4001 還驅動充電狀態 LED,并為基于微處理器的設計提供邏輯信號。
LTC4001 纖巧型,適合采用 4mm × 4mm 封裝,但其他因素也會導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。內置輸入短路阻斷功能,因此無需外部二極管。電流檢測是內部的,因此不需要昂貴的毫歐尺寸電流檢測電阻。
LTC4001 內部
LTC?4001 是完整的 2A 鋰離子電池充電器的基礎(圖 2)。一個50mA線性充電器提供電池調節,而一個同步降壓充電器提供恒流/恒壓高倍率充電(高達2A)。保護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;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顯示了一個裸露的2A電池充電器。這款充電器只有五個附加組件,可提供高效、高功率的解決方案。這種實現省略了狀態指示燈、電池溫度監測和定時器(可以由微處理器提供)。代替計時器,當充電電流降至高速充電電流的十分之一以下時,充電終止(在這種情況下,IDET閾值等于200mA)。通過將定時器引腳連接到IDET引腳而不是接地(允許微處理器完全控制充電端接),可以完全破壞內部充電端接。
圖3.一個裸露的電池充電器。
添加狀態指示燈
CHRG 引腳指示各種充電器狀態(表 1)。將此引腳串聯的電阻器和 LED 添加到 V在(圖 4) 表示充電器關閉(LED 熄滅)、高速率充電或電池調節(LED 在高亮度下持續亮起)和電池溫度超出范圍/NTC 故障(LED 閃爍)。
圖4.一個簡單的狀態指示器。
充電器狀態 | CHRG行為 |
不充電 | 打開 |
高速充電和IBAT>IDET或電池調節 | NMOS導通,將引腳拉低 |
高速率收費和IBAT<IDET | 30μA下拉電流 |
在IBAT>IDET充電時出現NTC溫度故障 | Blink |
LED 還會指示電池何時接近充滿電。當電池接近浮動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 LED 來指示所有充電器狀態(圖 5)。
圖5.全功能狀態指示。
與微處理器接口
圖6中的接口可以區分CHRG引腳上可用的所有狀態。要檢測電池調節或高速率充電,請強制數字輸出引腳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。接近充電結束時,NMOS 關斷,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置于高阻抗狀態,則來自CHRG引腳的30μA灌電流將拉入低電平。當充電停止時,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。該模式的標稱時序如圖7所示。額外的邊沿為微處理器提供快速指示,可用于驅動微處理器中斷線以降低處理器開銷,但在使用 LED 時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
通過增加一個電阻和一個熱敏電阻,可以包括電池溫度檢測。LTC4001 專為 Vishay Dale 的“R-T 曲線 2”熱敏電阻而設計,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,最終達到VTRIKL。線性充電器關閉,PWM(高速率)充電器使用軟啟動打開。電池充電電流在軟啟動循環期間上升,導致墻壁適配器負載電流相應增加。當壁式適配器達到電流限制時,壁式適配器輸出電壓崩潰,LTC4001 PWM充電器占空比上升至100%(LTC4001降壓調節器中的頂部PMOS開關持續接通。)當電池電壓接近VFLOAT時,浮動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的上升而持續下降,在VFLOAT時降至零。
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,1A 時充電器總功耗約為 2.2W(圖 9)。使用限流壁式適配器進行高速率充電可產生更低的充電器耗散(V 時為 537mW).BAT= 4.2V (采用一個 2A 電流受限的墻上適配器),因為 LTC4001 內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 2A 線性充電器相媲美呢?線性充電器的大部分耗散發生在串聯調整元件中,因此耗散大約等于調整元件中的壓降乘以充電電流。最壞情況的耗散發生在發生高速率充電的最低電池電壓處 (為了與 LTC4001 進行有效的比較,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。它包括一個三小時定時器、電池溫度監控、可編程充電和 I德特電流、遙感和狀態燈。包括一個故障燈,用于指示何時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。
結論
LTC4001 為小型、低部件數、全功能、高效率鋰離子電池充電器樹立了新標準。低功耗使連續2A電池充電變得實用,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
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