鋰離子電池充電器的(de)(de)發熱問題(ti)(ti)一直是(shi)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)工程師在(zai)進行(xing)鋰離子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)器(qi)設計時的(de)(de)難(nan)(nan)點(dian)之一，如(ru)果(guo)設計不(bu)周密，會(hui)帶來安(an)全問題(ti)(ti)。從電(dian)(dian)量(liang)(liang)和容量(liang)(liang)兩方面(mian)來講，鋰離子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)密度都很大，因(yin)(yin)此廣泛應用于(yu)(yu)便攜(xie)式設備，如(ru)PDA、MP3、手(shou)機、數(shu)碼(ma)相機等。由于(yu)(yu)高集(ji)成度線性(xing)電(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)器(qi)簡單易用、成本低、體(ti)積小，因(yin)(yin)此廣泛應用于(yu)(yu)為單體(ti)鋰離子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)。但是(shi)，如(ru)果(guo)用不(bu)具(ju)備熱調(diao)(diao)節(jie)功能(neng)(neng)的(de)(de)適配器(qi)給便攜(xie)式系統鋰離子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)，線性(xing)充電(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)散(san)熱難(nan)(nan)題(ti)(ti)就會(hui)凸顯出(chu)來，難(nan)(nan)以保(bao)證在(zai)安(an)全散(san)熱范(fan)圍內(nei)工作。這里介紹一種基于(yu)(yu)TI公司的(de)(de)鋰離子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)器(qi)專用芯片BQ24060、支持(chi)熱調(diao)(diao)節(jie)保(bao)護功能(neng)(neng)的(de)(de)鋰離子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)設計方法。它不(bu)僅能(neng)(neng)夠使工程師完善(shan)散(san)熱方面(mian)的(de)(de)考慮，同(tong)時還能(neng)(neng)極(ji)大化充電(dian)(dian)率，盡(jin)可能(neng)(neng)縮短充電(dian)(dian)時間，同(tong)時具(ju)備輸入過壓保(bao)護(VOP)功能(neng)(neng)。有著(zhu)較強的(de)(de)實用性(xing)。

1 BQ24060芯片功能特點
    BQ24060是(shi)TI公司(si)的(de)(de)一個高(gao)集成的(de)(de)鋰離子電(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)管(guan)理IC，其功(gong)能(neng)引腳(jiao)如圖1所示，表1介紹(shao)了各引腳(jiao)功(gong)能(neng)。BQ24060提(ti)供(gong)能(neng)在有限空間里完成多(duo)功(gong)能(neng)的(de)(de)、安全(quan)的(de)(de)滿充(chong)電(dian)(dian)的(de)(de)鋰離子電(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)器(qi)(qi)設計(ji)，其內部集成了1 A功(gong)率FET以(yi)(yi)及電(dian)(dian)流傳感器(qi)(qi)，因而能(neng)夠承受高(gao)達26 V的(de)(de)輸入電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)。該產品還提(ti)供(gong)具備獨特安全(quan)與(yu)低壓(ya)(ya)(ya)降特性的(de)(de)全(quan)面充(chong)電(dian)(dian)管(guan)理功(gong)能(neng)，以(yi)(yi)延長電(dian)(dian)池(chi)使用(yong)壽(shou)命。BQ24060可(ke)以(yi)(yi)使鋰離子電(dian)(dian)池(chi)分(fen)三(san)階段(duan)進(jin)行充(chong)電(dian)(dian)：預充(chong)電(dian)(dian)方(fang)式(shi)、恒(heng)流熱調(diao)(diao)節(jie)(jie)充(chong)電(dian)(dian)方(fang)式(shi)、精確恒(heng)壓(ya)(ya)(ya)充(chong)電(dian)(dian)方(fang)式(shi)。充(chong)電(dian)(dian)終止是(shi)基于(yu)一個最小電(dian)(dian)流。內部可(ke)編(bian)程(cheng)充(chong)電(dian)(dian)定時器(qi)(qi)為充(chong)電(dian)(dian)終止和在熱調(diao)(diao)節(jie)(jie)狀態動態調(diao)(diao)節(jie)(jie)提(ti)供(gong)安全(quan)保障。

    BQ24060充電算法縮短了充電時間，實現了總充電量的最大化，并可保護電池免遭過熱損壞或電損壞。當電池電壓降到內部閾值以下時，BQ24060會重新開始充電，如果去除外部輸入電源，那么就會進入低功耗睡眠模式。BQ24060集成了反向阻斷保護機制，以避免在沒有DC供電的情況下發生電池漏電的情況。此外，BQ24060經過配置后，還能在LDO模式下工作，這樣，即使沒有電池，系統也(ye)能完全(quan)正常工作(zuo)。在終端設(she)備制造過(guo)程中，LDO模式的特性(xing)對全(quan)面(mian)系統測試前的電路板測試也(ye)相當有用。

 BQ24060還提供(gong)過壓(ya)保(bao)護特性(xing)，在(zai)(zai)高壓(ya)情況下(xia)，該(gai)器件能夠(gou)迅速將充電器和系統與(yu)適(shi)配器相斷連，從而實現保(bao)護功能。此外，即使在(zai)(zai)環境溫度較高的惡(e)劣環境下(xia)，增強型熱過載保(bao)護穩壓(ya)特性(xing)也能確(que)保(bao)BQ24060長(chang)期正常工作，比如夏季在(zai)(zai)汽車中工作，或錯誤(wu)地連接至(zhi)輸入電壓(ya)較高的適(shi)配器。

2 BQ24060的關鍵技術特性
    BQ24060的關鍵技術特性為：熱穩壓特性最大化充電率；計時器引腳浮動時在LDO模式下工作；通過過壓保護將最大輸入電壓設置為26 V；集成功率FET與電流傳感器，以滿足最大1 A充電應用的需求；反向漏電保護可避免電池漏電；穩壓精度在±0．5％以內；最小電流時充電終止；預充電調節具備安全計時器功能；針對LED或系統接口的狀態輸出可指示充電與(yu)(yu)故(gu)障情況(kuang)，提(ti)供電(dian)源狀(zhuang)態(tai)良好指示；短路(lu)與(yu)(yu)熱保護(hu)。

3 BQ24060芯片熱調節保護功能
    一個典型的充電過程包括三個充電階段．如圖2所示：預充電階段(Pre-Conditioning Phase)、快充恒流(CC)階段(Current Regulation Phase)、恒壓(CV)終止階段(Voltage Regulation and Charge TerminationPhase)。在預充階段，在電池電壓低于某一定值．如3．O V時，電池以較低速率充電。通常情況下，當電池電壓達到3．O V時，充電器就會進入CC階段。快充CC階段通常限制在1 C電池額定值以下。如果充電率超過1 C，那么電池使用壽命就會縮短，因為節點上積存的金屬鋰會與電解質發生反應，造成永久損失。最后，充電器會進入CV階段，這時它將保持峰值電池電壓，并在充電電流下降到預定義大小時終止充電。線性充電器的功耗計算公式：

    如何改進設計才能確保充電器在安全散熱范圍內正常工作，TI公司的鋰離子電池充電專用芯片BQ24060，引入了熱調節環路，可避免充電器過(guo)熱(re)(re)，給工程師(shi)設計(ji)安全的(de)充電器提(ti)供了方便。BQ24060內(nei)部芯片溫(wen)(wen)度(du)達到(dao)預(yu)定義的(de)溫(wen)(wen)度(du)閾值(zhi)后(如110℃)，IC溫(wen)(wen)度(du)只(zhi)要進一步提(ti)升就會(hui)讓(rang)充電電流(liu)下(xia)降(jiang)(jiang)，這有(you)助于限制功(gong)(gong)耗，并為充電器提(ti)供熱(re)(re)保護。使結溫(wen)(wen)升高到(dao)熱(re)(re)調(diao)節的(de)極大功(gong)(gong)耗取決于PCB板布局(ju)、散熱(re)(re)通孔的(de)數量以及環(huan)境溫(wen)(wen)度(du)。從圖3中看(kan)出(chu)，1．2 s之后，熱(re)(re)環(huan)路會(hui)在2 s以內(nei)將(jiang)有(you)效充電電流(liu)從1．2 A降(jiang)(jiang)到(dao)600 mA。

    采用(yong)BQ24060專用(yong)芯片設計的(de)充電(dian)器(qi)，其充電(dian)過(guo)(guo)程(cheng)如圖(tu)4所示，充電(dian)器(qi)從預充電(dian)階段轉向快充模式時(shi)，充電(dian)電(dian)流(liu)(liu)(liu)IBAT受芯片結溫(wen)TJ的(de)限制而緩慢上(shang)升，其間(jian)經(jing)歷了一(yi)個熱(re)調節過(guo)(guo)程(cheng)后(hou)，充電(dian)電(dian)流(liu)(liu)(liu)IBAT達(da)到快充電(dian)流(liu)(liu)(liu)，進入恒(heng)流(liu)(liu)(liu)充電(dian)狀態，此(ci)后(hou)結溫(wen)開始下降，保證了充電(dian)器(qi)工作(zuo)于安全狀態。

    如果非理想的工作條件引起IC結溫達到極限值Tj，充電循環激活內部控制回路系統將被調節，并控制其它充電控制回路，進而減小充電電流，直到IC結溫小于Tj，使IC工作于安全溫度下。
    熱調節通常在快充早期階段進行，不過如果在CV模式下它仍然工作的話，充電電流就會過早達到充電終止閾值。為了避免錯誤充電終止，只要散熱調節回路在工作，電池充電終止功能就會被禁用。此外，有效充電電流降低會延長電池充電時間。如果充電(dian)安(an)(an)(an)全(quan)計時器(qi)有(you)固定(ding)設置的話(hua)，就會過早終止充電(dian)。BQ24060采用(yong)動態安(an)(an)(an)全(quan)計時器(qi)控制電(dian)路，能(neng)在熱(re)調節(jie)階段有(you)效延長安(an)(an)(an)全(quan)時間，并盡可(ke)能(neng)降低安(an)(an)(an)全(quan)計時器(qi)的故障幾率(lv)。從(cong)圖5中可(ke)以看出，熱(re)調節(jie)模式下的安(an)(an)(an)全(quan)計時器(qi)的響(xiang)應與有(you)效充電(dian)電(dian)流成反比。

 外部熱敏(min)電(dian)阻RT1和RT2可(ke)以用來設置選擇溫度(du)(du)控制充電(dian)窗口，如圖6所(suo)示。假設RTH和RTC是(shi)熱敏(min)電(dian)阻的高低溫極(ji)限值，RT1和RT2是(shi)負溫度(du)(du)系數熱敏(min)電(dian)阻，則RT1和RT2可(ke)以用如下(xia)公式(shi)計算(suan)，先(xian)計算(suan)RT2，然后(hou)將RT2代入計算(suan)RT1：

    對于某熱敏電(dian)阻(zu)(zu)，如果0℃和45℃對應的阻(zu)(zu)值分別為27．28 kΩ和4．912 kΩ，代入上面兩式，得：

4．2 快充電流750 mA的設計
    快充電流的(de)(de)設置(zhi)是通(tong)過(guo)調(diao)節BQ24060的(de)(de)第6腳(jiao)ISET端與地Vss間的(de)(de)阻抗RISET的(de)(de)值(zhi)來決定的(de)(de)，其計(ji)算公(gong)式如(ru)下(xia)：

    通過查BQ24060的電特性表(biao)可(ke)得VSET=2．5 V，KSET=335，當，IOUT=O．75 A時，可(ke)得：

    因此，在BQ24060的第6腳ISET端與地間連接了一個1．13 kΩ的電阻，如圖6所示。
4．3 5h安全計時器工作時間的設計
    BQ24060的(de)(de)(de)安全計時(shi)器工作時(shi)間(jian)是通過設置其第2腳TMR與(yu)地間(jian)的(de)(de)(de)阻(zu)抗(kang)RTMR來決定(ding)的(de)(de)(de)。其計算(suan)公式(shi)如下：

    通過查BQ24060的電(dian)特性表可得KCHG=0．1 h／kΩ，則當(dang)TCHR=5h時，有RTMR=5／0．1=50 kΩ。因此，在BQ24060的第2腳(jiao)TMR與(yu)地間(jian)連(lian)接了一個49．9 kΩ的電(dian)阻(zu)，如圖6所示。

5 PCB設計
    BQ24060采(cai)用有利于(yu)(yu)散(san)熱(re)(re)(re)(re)的(de)(de)(de)(de)MLP封裝(zhuang)(zhuang)形式，這(zhe)種封裝(zhuang)(zhuang)形式可提供一(yi)個熱(re)(re)(re)(re)端(duan)(duan)面，通(tong)過直接(jie)(jie)焊接(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)方式使(shi)IC與(yu)(yu)印刷線路(lu)板間(jian)有效熱(re)(re)(re)(re)接(jie)(jie)觸，可靠(kao)焊接(jie)(jie)后，通(tong)過熱(re)(re)(re)(re)傳遞(di)PCB就(jiu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)當于(yu)(yu)一(yi)個蓄熱(re)(re)(re)(re)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)。這(zhe)樣(yang)在(zai)設計(ji)PCB時就(jiu)可以合理優化(hua)設計(ji)，從而最大(da)限度地(di)(di)(di)保證良好的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)傳導路(lu)徑和(he)(he)蓄熱(re)(re)(re)(re)特性，從而使(shi)系(xi)統獲得極佳的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)穩定(ding)性能。本著就(jiu)近原則(ze)，在(zai)電(dian)源(yuan)輸入(ru)端(duan)(duan)與(yu)(yu)地(di)(di)(di)之間(jian)一(yi)般放(fang)(fang)置(zhi)一(yi)個1 μF以上的(de)(de)(de)(de)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)，以加強高頻(pin)濾波，并有利于(yu)(yu)充電(dian)器短暫熱(re)(re)(re)(re)插(cha)拔。該(gai)(gai)設計(ji)放(fang)(fang)置(zhi)了一(yi)個4．7μF的(de)(de)(de)(de)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)，最好通(tong)過過孔(kong)直接(jie)(jie)與(yu)(yu)地(di)(di)(di)層相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)連(lian)。該(gai)(gai)電(dian)容(rong)值應大(da)于(yu)(yu)電(dian)源(yuan)輸出(chu)端(duan)(duan)放(fang)(fang)置(zhi)的(de)(de)(de)(de)電(dian)容(rong)值。在(zai)電(dian)源(yuan)輸出(chu)端(duan)(duan)放(fang)(fang)置(zhi)一(yi)個2．2μF的(de)(de)(de)(de)電(dian)容(rong)，同樣(yang)在(zai)布板時該(gai)(gai)電(dian)容(rong)要求就(jiu)近與(yu)(yu)電(dian)源(yuan)輸出(chu)端(duan)(duan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)連(lian)，并要求短距(ju)入(ru)地(di)(di)(di)，最好通(tong)過過孔(kong)直接(jie)(jie)與(yu)(yu)地(di)(di)(di)層相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)連(lian)。BAT和(he)(he)ISET端(duan)(duan)間(jian)，放(fang)(fang)置(zhi)一(yi)個0．47 μF的(de)(de)(de)(de)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)，有助于(yu)(yu)回(hui)路(lu)的(de)(de)(de)(de)穩定(ding)性。在(zai)布板時，所有小電(dian)流的(de)(de)(de)(de)地(di)(di)(di)應與(yu)(yu)大(da)電(dian)流地(di)(di)(di)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)互隔離，可采(cai)用單點地(di)(di)(di)技術使(shi)小信號(hao)地(di)(di)(di)與(yu)(yu)大(da)信號(hao)地(di)(di)(di)連(lian)接(jie)(jie)，在(zai)走線時要注意小信號(hao)地(di)(di)(di)與(yu)(yu)大(da)信號(hao)地(di)(di)(di)的(de)(de)(de)(de)前后關(guan)系(xi)，避(bi)免共模干擾(rao)。

     實際上，鋰離子電池充電器的要求比較高，既要實現快充，又要保證安全，其技術難點就在于電池的發熱問題。這里介紹的支持熱調節保護功能的鋰離子電池充電器的設計方法，不僅能夠使工程師完善散熱方面的考慮，同時還能極大化充電率，盡可能縮短充電時間，同(tong)時(shi)具備輸入過壓保護(VOP)功能，有著(zhu)較好的實用性。