鋰離子電池充電器的(de)(de)發熱(re)問題(ti)一直(zhi)是電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)工程(cheng)(cheng)師在(zai)進行鋰(li)離(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)設(she)計時的(de)(de)難(nan)點之一，如果設(she)計不(bu)(bu)周密(mi)，會帶來(lai)安全問題(ti)。從電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)和容(rong)量(liang)兩方面(mian)來(lai)講，鋰(li)離(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)能(neng)量(liang)密(mi)度都很大，因此(ci)廣泛應用(yong)(yong)于(yu)(yu)便(bian)攜式(shi)(shi)設(she)備，如PDA、MP3、手(shou)機(ji)、數碼(ma)相機(ji)等。由(you)于(yu)(yu)高集(ji)成度線(xian)性(xing)(xing)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)簡單易用(yong)(yong)、成本(ben)低(di)、體積(ji)小，因此(ci)廣泛應用(yong)(yong)于(yu)(yu)為(wei)單體鋰(li)離(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。但是，如果用(yong)(yong)不(bu)(bu)具(ju)備熱(re)調節功能(neng)的(de)(de)適配(pei)器(qi)給便(bian)攜式(shi)(shi)系統鋰(li)離(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，線(xian)性(xing)(xing)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)散熱(re)難(nan)題(ti)就會凸(tu)顯出來(lai)，難(nan)以保(bao)證在(zai)安全散熱(re)范圍內(nei)工作。這(zhe)里介(jie)紹(shao)一種基于(yu)(yu)TI公司的(de)(de)鋰(li)離(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)專用(yong)(yong)芯片BQ24060、支持熱(re)調節保(bao)護功能(neng)的(de)(de)鋰(li)離(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)設(she)計方法。它不(bu)(bu)僅能(neng)夠(gou)使工程(cheng)(cheng)師完善(shan)散熱(re)方面(mian)的(de)(de)考慮(lv)，同時還能(neng)極大化充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)率，盡(jin)可能(neng)縮(suo)短充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時間，同時具(ju)備輸入過壓(ya)保(bao)護(VOP)功能(neng)。有(you)著較(jiao)強的(de)(de)實用(yong)(yong)性(xing)(xing)。

1 BQ24060芯片功能特點
    BQ24060是(shi)TI公司的(de)(de)(de)一個(ge)高集成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)鋰離(li)(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)(dian)管(guan)理IC，其功(gong)能引(yin)腳如(ru)圖1所示，表1介(jie)紹了(le)(le)各引(yin)腳功(gong)能。BQ24060提供能在有限(xian)空間里(li)完成(cheng)(cheng)多功(gong)能的(de)(de)(de)、安(an)(an)(an)全的(de)(de)(de)滿(man)充電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)鋰離(li)(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)(dian)器設計，其內部(bu)集成(cheng)(cheng)了(le)(le)1 A功(gong)率FET以及電(dian)(dian)(dian)(dian)流傳感(gan)器，因而能夠承受高達26 V的(de)(de)(de)輸入電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。該產品(pin)還提供具備獨特(te)安(an)(an)(an)全與低壓(ya)降(jiang)特(te)性的(de)(de)(de)全面充電(dian)(dian)(dian)(dian)管(guan)理功(gong)能，以延長電(dian)(dian)(dian)(dian)池使(shi)用壽(shou)命。BQ24060可(ke)以使(shi)鋰離(li)(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)池分三階段進行充電(dian)(dian)(dian)(dian)：預充電(dian)(dian)(dian)(dian)方(fang)式(shi)、恒流熱調(diao)(diao)節(jie)充電(dian)(dian)(dian)(dian)方(fang)式(shi)、精(jing)確(que)恒壓(ya)充電(dian)(dian)(dian)(dian)方(fang)式(shi)。充電(dian)(dian)(dian)(dian)終止是(shi)基于一個(ge)最(zui)小電(dian)(dian)(dian)(dian)流。內部(bu)可(ke)編程充電(dian)(dian)(dian)(dian)定(ding)時器為充電(dian)(dian)(dian)(dian)終止和在熱調(diao)(diao)節(jie)狀態動態調(diao)(diao)節(jie)提供安(an)(an)(an)全保障。

    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(xi)統(tong)也(ye)能完全正常工作。在終端(duan)設(she)備制造過程(cheng)中，LDO模式的(de)特性對全面系(xi)統(tong)測試前的(de)電路板測試也(ye)相當有用。

 BQ24060還(huan)提供過壓保(bao)護(hu)特(te)性，在高(gao)壓情況下，該器件能夠迅(xun)速將(jiang)充(chong)電(dian)器和(he)系統(tong)與(yu)適(shi)配器相斷連，從而實現保(bao)護(hu)功能。此(ci)外，即使在環(huan)境溫(wen)度較高(gao)的惡劣環(huan)境下，增強型熱過載保(bao)護(hu)穩(wen)壓特(te)性也能確保(bao)BQ24060長期正常(chang)工(gong)作，比如夏季(ji)在汽(qi)車中(zhong)工(gong)作，或(huo)錯誤地連接至輸入電(dian)壓較高(gao)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故障情況，提供電源狀(zhuang)態良好指示；短路與熱保護(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，可避免充電器過熱，給(gei)工程師設(she)計(ji)安全的充(chong)電器提供了方便。BQ24060內(nei)部芯片(pian)溫(wen)度達到(dao)預定(ding)義的溫(wen)度閾值后(hou)(如(ru)110℃)，IC溫(wen)度只要進一步(bu)提升就會(hui)讓(rang)充(chong)電電流(liu)下(xia)降(jiang)(jiang)，這(zhe)有(you)助于(yu)限制功耗，并為充(chong)電器提供熱保護。使結溫(wen)升高到(dao)熱調節(jie)的極大功耗取決于(yu)PCB板(ban)布局、散熱通孔的數量以及環境溫(wen)度。從圖3中看(kan)出，1．2 s之(zhi)后(hou)，熱環路會(hui)在2 s以內(nei)將有(you)效(xiao)充(chong)電電流(liu)從1．2 A降(jiang)(jiang)到(dao)600 mA。

    采用BQ24060專用芯片(pian)設計的(de)充(chong)(chong)(chong)電(dian)器，其(qi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)過程(cheng)如圖4所示，充(chong)(chong)(chong)電(dian)器從預充(chong)(chong)(chong)電(dian)階段轉向快(kuai)充(chong)(chong)(chong)模式(shi)時，充(chong)(chong)(chong)電(dian)電(dian)流(liu)(liu)IBAT受(shou)芯片(pian)結(jie)溫TJ的(de)限制(zhi)而緩慢(man)上(shang)升(sheng)，其(qi)間(jian)經(jing)歷了一(yi)個(ge)熱調節過程(cheng)后(hou)，充(chong)(chong)(chong)電(dian)電(dian)流(liu)(liu)IBAT達到快(kuai)充(chong)(chong)(chong)電(dian)流(liu)(liu)，進入(ru)恒流(liu)(liu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)狀態(tai)，此后(hou)結(jie)溫開始下降，保(bao)證了充(chong)(chong)(chong)電(dian)器工作于安全狀態(tai)。

    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(guo)充(chong)電(dian)安全(quan)(quan)計(ji)時(shi)(shi)器有固定設(she)置的(de)話，就(jiu)會過早終(zhong)止充(chong)電(dian)。BQ24060采用動態安全(quan)(quan)計(ji)時(shi)(shi)器控制電(dian)路，能在熱(re)調節(jie)階段有效延長安全(quan)(quan)時(shi)(shi)間，并(bing)盡可能降低安全(quan)(quan)計(ji)時(shi)(shi)器的(de)故障幾率。從圖5中可以(yi)看出，熱(re)調節(jie)模式(shi)下的(de)安全(quan)(quan)計(ji)時(shi)(shi)器的(de)響應與有效充(chong)電(dian)電(dian)流成(cheng)反比。

 外部(bu)熱敏電阻RT1和(he)RT2可以用(yong)來設(she)置選擇(ze)溫(wen)度(du)(du)控制充(chong)電窗口，如圖6所示(shi)。假設(she)RTH和(he)RTC是(shi)熱敏電阻的高低溫(wen)極限值，RT1和(he)RT2是(shi)負溫(wen)度(du)(du)系數(shu)熱敏電阻，則RT1和(he)RT2可以用(yong)如下公式計(ji)算，先計(ji)算RT2，然后將RT2代(dai)入計(ji)算RT1：

    對(dui)于某(mou)熱敏電阻，如果0℃和45℃對(dui)應的阻值分(fen)別為27．28 kΩ和4．912 kΩ，代(dai)入(ru)上(shang)面兩式(shi)，得：

4．2 快充電流750 mA的設計
    快(kuai)充電流的設置是通過調(diao)節(jie)BQ24060的第(di)6腳(jiao)ISET端與(yu)地(di)Vss間的阻抗RISET的值(zhi)來決(jue)定(ding)的，其計(ji)算公式如下：

    通過(guo)查BQ24060的電特性表可得(de)(de)VSET=2．5 V，KSET=335，當，IOUT=O．75 A時，可得(de)(de)：

    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)安(an)全計(ji)(ji)時(shi)器工作(zuo)時(shi)間是通過設置(zhi)其第2腳TMR與地間的(de)阻抗RTMR來(lai)決定的(de)。其計(ji)(ji)算公(gong)式如下：

    通(tong)過查BQ24060的(de)電(dian)(dian)特性(xing)表(biao)可(ke)得KCHG=0．1 h／kΩ，則當TCHR=5h時(shi)，有(you)RTMR=5／0．1=50 kΩ。因此，在BQ24060的(de)第2腳TMR與地間連(lian)接(jie)了(le)一個49．9 kΩ的(de)電(dian)(dian)阻，如圖6所示(shi)。

5 PCB設計
    BQ24060采用(yong)有(you)(you)利(li)于(yu)散熱的(de)(de)MLP封裝(zhuang)形(xing)式(shi)，這種封裝(zhuang)形(xing)式(shi)可(ke)提(ti)供一(yi)個(ge)(ge)(ge)熱端(duan)面，通(tong)過(guo)直接(jie)(jie)焊(han)(han)接(jie)(jie)的(de)(de)方(fang)式(shi)使(shi)IC與(yu)印刷線(xian)路板(ban)間有(you)(you)效熱接(jie)(jie)觸(chu)，可(ke)靠焊(han)(han)接(jie)(jie)后(hou)，通(tong)過(guo)熱傳遞PCB就(jiu)相當于(yu)一(yi)個(ge)(ge)(ge)蓄熱裝(zhuang)置。這樣在(zai)(zai)(zai)設計PCB時就(jiu)可(ke)以(yi)合理優化設計，從而(er)最(zui)大限度(du)地(di)(di)保證良好(hao)的(de)(de)熱傳導路徑和蓄熱特性(xing)，從而(er)使(shi)系統獲(huo)得極佳的(de)(de)熱穩定性(xing)能。本(ben)著就(jiu)近原則(ze)，在(zai)(zai)(zai)電(dian)(dian)源輸入(ru)端(duan)與(yu)地(di)(di)之間一(yi)般(ban)放(fang)(fang)置一(yi)個(ge)(ge)(ge)1 μF以(yi)上的(de)(de)陶瓷電(dian)(dian)容，以(yi)加強高頻濾波，并有(you)(you)利(li)于(yu)充(chong)電(dian)(dian)器短(duan)暫(zan)熱插拔。該設計放(fang)(fang)置了(le)一(yi)個(ge)(ge)(ge)4．7μF的(de)(de)陶瓷電(dian)(dian)容，最(zui)好(hao)通(tong)過(guo)過(guo)孔直接(jie)(jie)與(yu)地(di)(di)層相連(lian)。該電(dian)(dian)容值(zhi)應大于(yu)電(dian)(dian)源輸出(chu)端(duan)放(fang)(fang)置的(de)(de)電(dian)(dian)容值(zhi)。在(zai)(zai)(zai)電(dian)(dian)源輸出(chu)端(duan)放(fang)(fang)置一(yi)個(ge)(ge)(ge)2．2μF的(de)(de)電(dian)(dian)容，同樣在(zai)(zai)(zai)布板(ban)時該電(dian)(dian)容要(yao)求(qiu)(qiu)就(jiu)近與(yu)電(dian)(dian)源輸出(chu)端(duan)相連(lian)，并要(yao)求(qiu)(qiu)短(duan)距(ju)入(ru)地(di)(di)，最(zui)好(hao)通(tong)過(guo)過(guo)孔直接(jie)(jie)與(yu)地(di)(di)層相連(lian)。BAT和ISET端(duan)間，放(fang)(fang)置一(yi)個(ge)(ge)(ge)0．47 μF的(de)(de)陶瓷電(dian)(dian)容，有(you)(you)助于(yu)回路的(de)(de)穩定性(xing)。在(zai)(zai)(zai)布板(ban)時，所(suo)有(you)(you)小電(dian)(dian)流的(de)(de)地(di)(di)應與(yu)大電(dian)(dian)流地(di)(di)相互隔離，可(ke)采用(yong)單點地(di)(di)技術(shu)使(shi)小信(xin)號(hao)地(di)(di)與(yu)大信(xin)號(hao)地(di)(di)連(lian)接(jie)(jie)，在(zai)(zai)(zai)走線(xian)時要(yao)注意小信(xin)號(hao)地(di)(di)與(yu)大信(xin)號(hao)地(di)(di)的(de)(de)前后(hou)關(guan)系，避免共(gong)模干擾。

     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)時具備輸入(ru)過壓保護(VOP)功能，有著(zhu)較好的實用性。