LD6275將電源適配器/USB埠的5V直流電源進行降壓穩流,對鋰離子電池進行充電,為防止電源適配器的過電流超載,可以外部電阻 RCISET設定最大充電電流限制。同時支持計算機USB端口充電模式,并依據外部腳位EN1與EN2進行設定,各模式請見表1。透過為USB 500mA與USB 100mA操作模式設定,可以保護PC端USB埠避免過載。
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圖2:LD6275應用電路圖
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表1:充電模式設定
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LD6275 具有適應性電源路徑管理(Adaptable Power Path Management, APPM)功能,其為以供給系統端用電為主,對電池充電為輔,如圖3所示;當系統用電超過輸入電源的供給限制時,其電池亦能主動開啟放電功能同時對系統端供給其所需之電能需求,如圖4所示。
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圖3. APPM
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圖4. APPM
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LD6275開放兩段的電池設定電壓與充電電流的調整,可根據其需求動態調整,如為符合日本JEITA的規范要求根據電池之溫度而調整充電器之設定,如下圖5表示。
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由于LD6275本身耗電極小,僅1~2mA,幾乎可以忽略,因此IC本身發熱功率Pd可以由下列公式計算:
Vin為輸入電源電壓,工作范圍4.1V~6V.VBAT是電池電壓,可以由0~4.2V,ICHG為設定充電電流,由外部電阻RCISET設定之。當電池電壓低于3V時,會進入預充電模式,IC內部預設以ICHG的10%電流進行充電。
假設使用5.5V電源供應器對單顆1200mAh鋰離子電池進行充電,在0.7℃快速充電電流時,且電池電壓為3V的條件下,可以預估IC運作的最大耗電量為,1.762W的耗電最大值,此一功耗會使得熱阻抗60℃/W的3×3毫米QFN封裝溫度溫升127℃,即便環境溫度0℃時,也已經超過所允許的125℃硅芯片操作溫度最大值。若設定充電電流為0.6A(0.5C),則可降低IC溫升為90度,可以操作于35度的環境溫度中,因此是較佳的設定電流。
由以上可以得知,快速充電穩流值和電源供應電壓的操作范圍,對于線性充電器相當重要。線性充電器的根本問題在于操作時芯片溫度較高,使得設計時必須在充電電流和散熱機構之間做取舍。但往往線性充電器的應用范圍是需要輕薄要求的便攜式產品,多使用導熱性差的塑料外殼,亦不考慮金屬散熱片,最后產品設計者唯有降低充電電流并延長充電時間,來換取較低的操作溫度。基于可攜式產品使用者,希望能夠在1~2小時中完成充電,因此線性充電器通常比較適合 1500mAh以下的低容量鋰離子電池應用。若要應用于高輸入/輸出電壓差或高容量電池的充電應用,此時可以考慮應用同步交換式充電器。
圖6所示為鋰離子電池充電器的標準充電流程,首先充電IC偵測是否有輸出短路或是過載的保護模式,若系統一切正常接著偵測電池初始電壓是否達到 3V以上,高于3V者就直接以快充模式進行高電流充電,若電池低于3V者,進入預充電模式,以快充的10%進行充電,喚醒電池并避免電池損壞。在預充電階段,仍隨時偵測電池電壓,達到3V后可隨即切入快充模式。
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在快充模式下,電池的電壓以較高速度上升,升高至4.2V時,切換至4.2V的定電壓充電,由電池本生的內阻進行限流,此時充電電流就如同圖1的CV階段。隨著時間過去,充電電流呈現指數曲線遞減,當到達設定電流ICHG的10%,即關閉充電器,同時指示充電完成。
然而,當電池故障時,電池可能無法儲存電能,電壓抑不會升高,所充入的能量轉變成熱,除了依靠過溫度保護機制之外,IC內部亦具有超時定時器,無論此時電池電壓狀態如何,只要超過設定充電時間后,隨即關閉充電器,以達到多重保護使用者之功能。
使用者亦有可能在充電或式充電完畢后,在未將電源移除的情況下,即抽離電池的情況。為避免造成危險,IC內部應具有如圖7, 8的電池存在偵測機制。充電IC會以短時間脈沖(每370ms產生2ms的脈沖)方式抽取電池電流,此時若電池存在,則偵測到的電池電壓應大于一預設閥值;若電池已切離,則充電IC偵測到一低電壓,即可判定為電池斷開狀態,并將電池端電壓切斷,保護使用者安全。
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圖7. 電池存在偵測機制
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圖8:電池移除偵測機制
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結論
鋰離子電池以其特有的性能優勢已在可攜式裝置如筆記計算機、攝影機、移動通訊中得到普遍應用。而新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化、任意面積化和任意形狀化,大大提高了電池造型設計的靈活性。同時,聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了20%,其容量、與環保性能等方面都較鋰離子電池皆獲得改善。因此可以預見的是,未來鋰離子電池的充電器,亦朝向更快速的充電速率與更強健的系統保護能力為未來發展趨勢。