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锂离子锂聚合物LP4064电池充电管理芯片简介

现代便携式电子产品中最常见的电子电路类型之一是电池充电IC,特别是用于为锂离子和锂聚合物电池充电的充电IC

首先,LP4064,它易于使用,并且一开始就很棒。接下来,我将回顾德州仪器BQ24092,这是一款略显先进的电池充电IC

最后,我们将介绍一种明显更复杂的电池充电IC,德州仪器(TI)BQ24703。我将沿着内存通道走一段路,因为BQ24703恰好是我多年前在德州仪器担任芯片设计师时设计的电池充电IC

前两个充电ICLP4064和BQ24092)都是线性充电IC,而BQ24703是开关模式降压充电IC

如果您需要了解线性充电IC和开关模式充电IC之间的区别,请务必阅读我之前关于稳压器的文章。在那篇文章中,我将详细讨论线性稳压器和开关稳压器之间的区别,相同的原理也适用于电池充电IC

 

LP4064

我将回顾的第一个电池充电ICLP4064。该电池充电IC设计用于为单节电池充电,适用于锂离子或锂聚合物电池。

使用LP4064的典型应用的示意图
图1 – 使用LP4064的典型应用的示意图

 

单节锂电池输出约3.6V。因此,如果您看到额定输出电压为7.2V的锂电池,那么它由两个串联连接的电池组成。如果电池电压为14.4V,则为4芯电池组。

为了对多节电池组进行充电,必须具有大于电池充电电压的输入电源电压,或者需要一个开关模式升压充电IC,该充电IC可以产生高于输入电源的充电电压。

 

锂电池充电的三个阶段

锂电池充电有三个阶段:预充电阶段,快速充电阶段和充电终止阶段。

在预充电或快速充电时,充电IC可调节进入电池的电流量。但在充电终止期间,充电IC正在调节流向电池的电压,同时测量流入电池的电流。

可充电锂电池的充电阶段
图2 – 可充电锂电池的充电阶段

 

1 – 预充电阶段

第一阶段是预充电阶段,也称为涓流阶段。在此阶段,电池充电IC仅向电池发送少量电流(涓流电荷)。如果检测到电池,充电IC将开始充电过程。

涓流电荷是完全充电电流的一小部分。此阶段的目标是将电池充电到某个点,以便在后续阶段对其进行快速充电(见下文)。

当电池高度放电且电压低于特定阈值时,充电IC会自动进入预充电阶段。

预充电开始后,充电IC会监控电池电压,直到达到预充电电压阈值。

预充电电压阈值是您负责编程的最大充电电流的预定义百分比。

一旦电池电压超过预充电电压阈值,电池充电IC进入快速充电阶段。

 

2 – 快速充电阶段

快速充电阶段,也称为恒流阶段,调节进入电池的电流量。

预充电和快速充电电流均由LP4064PROG引脚上的单个电阻器设置。

恒定电流用于为电池充电,该电流根据您选择的最大充电电流进行调节。

对于LP4064,最大充电电流通过将电阻从编程引脚连接到地来设置(参见图1)。您可以选择从15mA一直到500mA的充电电流。

一旦电池在这个快速充电阶段接近充电,它就会切换到充电终止阶段。

 

3 – 充电终止阶段

充电的最后阶段称为充电终止阶段或恒压阶段。在此阶段,电池充电IC切换到电压控制模式,其中它调节进入电池的电压而不是电流。

虽然电池的电压是被调节的,但充电IC通过测量充电电流来监控充电过程。

一旦处于电压控制模式的充电电流降至编程电流的预定义百分比以下,充电IC就知道电池已充满电,充电过程即告终止。

充电周期完成后,电池充电IC将继续监视电池电压。如果电池电压降至预设的充电阈值以下,充电IC将启动新的充电周期,整个过程重复。

您会在图2中的图表中注意到,还有第四个阶段称为热调节。然而,只有当功耗足够高,充电IC的内部温度超过125C时,这一阶段才会发挥作用。

如果系统设计为充电IC永远不会达到此温度,则不会进入热调节阶段。我在下面的功耗部分更详细地讨论了这一点。

 

设置快速充电电流

LP4064的快速充电电流由放置在编程引脚(PROG)上的电阻设定为地。快速充电电流由下式计算:

充电电流 = 1,000 / 电阻(公式1)

例如,如果电阻是2,000欧姆的电阻,则快速充电电流的计算公式为:

充电电流 = 1,000 / 2,000 = 0.5A = 500mA(公式2)

请注意,500mA是该充电IC的最大充电电流。如果使用4,000欧姆电阻器,则最大充电电流仅为250mA。

确切的快速充电电流设置将取决于电池的容量和外部电压源可以提供的最大电流。

为锂电池充电时,最大充电速率通常应为1C,这意味着:

充电电流 = 1 x 电池容量(等式3)

例如,如果您有一个500mAh的电池,那么1C的充电速率就是500mA。如果您有150mAh电池,则1C充电速率将为150mA。

锂电池的绝对最大充电电流通常为2C。因此,如果您有150mAh的电池,则绝对最大充电电流将为300mAh。

虽然某些电池可能会达到如此高的水平,但您通常希望坚持使用1C的速率,除非电池指定可以以更高的充电速率充电。

您还需要考虑外部电源可以提供的最大电流。您需要对系统进行设计,使输入电流永远不会超过外部电源的最大额定电流。

对于线性充电IC,来自外部电源的输入电流基本上等于快速充电电流设置。

然而,对于开关稳压器,输入电源电流将与进入电池的快速充电电流有很大不同。

对于降压充电IC,输入电流将小于电池电流,但对于升压充电IC,它将高于电池电流。

 

功耗

使用电池充电IC时,请务必牢记功耗,尤其是像LP4064这样的线性充电IC。在某些情况下,线性充电IC不是很有效,充电IC不要过热至关重要。否则,充电电流将自动降低到所需水平以下,以防止温度超过最大值。

线性充电IC(或线性稳压器)中的功耗是根据以下因素确定的:

 

  1. 负载电流量
  2. 从输入到输出的电压差分

负载电流或压差越高,功率越高(请记住:功率 = 电压 x 电流)。

最大功耗和过热的可能性通常发生在从预充电阶段过渡到快速充电阶段时。

此时,电池电压处于其最低点,因此充电IC两端的电压差最大化,并且在快速充电模式下,电流也最大。这是压差和负载电流都处于最大值的点。

LP4064在从预充电过渡到快速充电时具有不同的电池电压阈值设定点。例如,假设此阈值为70%。这意味着当电池电压达到稳定输出电压的70%时,充电IC将切换到快速充电模式。

对于3.6V锂电池,恒定电压模式下的稳压充电电压为4.2V,其中70%约为3V,因此从预充电过渡到快速充电时,电池将处于3V。

请注意,LP4064提供4种不同的稳压充电电压:4.2V、4.35V、4.4V和4.5V。

假设我们从USB端口充电,该端口提供5 V电压。因此,在快速充电阶段开始时,输入端为5V,输出端为3V。这相当于2V差分。

如果快速充电电流设置为500mA,则充电IC在此转换时将消耗1W的功率。

您可以查阅充电IC的数据表以确定Θ-JA额定值。这通常列在“热特性”或“温度规格”下。Theta-JA将以C/瓦特为单位进行报告。

数据表中的散热规格
图3 – LP4064数据表中的散热规格


要确定充电IC会升温多少,请使用以下公式:

温度增益 = 功耗功率 x Theta-JA (公式4)

这个等式告诉你组件在环境空气温度以上会升温多少。要获得绝对温度,您仍必须将环境空气温度添加到等式4中。

例如,如果计算温度增益为50C,而环境空气温度为40C,则组件将为90C。

大多数电子元件的额定温度最高可达125°C,请始终避免超过此温度,否则充电IC将根据需要降低充电电流,以保持温度低于125C。

 

封装类型:SOT23

LP4064采用SOT23-5封装

LP4064的可用封装
图4 – LP4064的可用封装


SOT-23:SOT-23的Θ-JA额定值为230 C/瓦。因此,如果充电IC耗散一瓦的功率,它将升温230°C。如果你假设你在室温(25°C)下,充电IC实际上会升温到255°C。

这肯定会触发热调节阶段,这将降低充电电流,以确保充电IC温度保持在125C以下。SOT-23封装应仅用于低功耗应用。

选择线性充电IC以满足所需功率要求的关键标准包括封装(考虑了Theta-JA规格)、耗散功率以及产品将要工作的最高环境温度。

使用开关充电IC,过热变得不那么成问题,因为它们往往更节能,并且通常不会消耗大量功率。

 

创建时间:2022-07-07 15:35