鋰離子電池充電器的(de)(de)(de)(de)發熱(re)問題一直是電(dian)(dian)(dian)子(zi)工(gong)程(cheng)師在(zai)進行(xing)鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)設(she)計時的(de)(de)(de)(de)難點之(zhi)一，如果(guo)設(she)計不(bu)(bu)周(zhou)密，會帶來安全問題。從電(dian)(dian)(dian)量和(he)容(rong)量兩(liang)方(fang)面來講，鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量密度都很(hen)大，因此(ci)廣(guang)泛應用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)便攜式(shi)設(she)備，如PDA、MP3、手(shou)機、數碼相機等。由于(yu)(yu)高集成度線(xian)性(xing)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)簡單易用(yong)(yong)(yong)、成本(ben)低、體積小，因此(ci)廣(guang)泛應用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)為單體鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)。但是，如果(guo)用(yong)(yong)(yong)不(bu)(bu)具(ju)(ju)備熱(re)調節(jie)功能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)適(shi)配器(qi)給便攜式(shi)系統鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)，線(xian)性(xing)充(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)(de)(de)散熱(re)難題就會凸顯出(chu)來，難以保(bao)證在(zai)安全散熱(re)范圍內工(gong)作。這(zhe)里(li)介紹一種基(ji)于(yu)(yu)TI公司的(de)(de)(de)(de)鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)專用(yong)(yong)(yong)芯片BQ24060、支持熱(re)調節(jie)保(bao)護功能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)(de)(de)設(she)計方(fang)法。它不(bu)(bu)僅能(neng)(neng)夠使工(gong)程(cheng)師完善散熱(re)方(fang)面的(de)(de)(de)(de)考慮，同時還能(neng)(neng)極(ji)大化充(chong)電(dian)(dian)(dian)率，盡可能(neng)(neng)縮短充(chong)電(dian)(dian)(dian)時間，同時具(ju)(ju)備輸入過壓保(bao)護(VOP)功能(neng)(neng)。有(you)著較強的(de)(de)(de)(de)實用(yong)(yong)(yong)性(xing)。

1 BQ24060芯片功能特點
    ;BQ24060是TI公(gong)司的一(yi)個(ge)高集成的鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)管理IC，其功(gong)(gong)能引腳(jiao)如圖1所示，表1介紹了(le)各引腳(jiao)功(gong)(gong)能。BQ24060提(ti)供(gong)能在有限空(kong)間里完成多功(gong)(gong)能的、安全的滿充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器設計，其內部集成了(le)1 A功(gong)(gong)率(lv)FET以及(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流傳(chuan)感器，因而能夠承受(shou)高達(da)26 V的輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓。該產品(pin)還提(ti)供(gong)具(ju)備獨(du)特安全與(yu)低壓降特性的全面(mian)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)管理功(gong)(gong)能，以延(yan)長(chang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)使(shi)用壽命。BQ24060可以使(shi)鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)分三階段(duan)進行(xing)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)：預(yu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)方式(shi)、恒(heng)流熱調節(jie)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)方式(shi)、精確恒(heng)壓充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)方式(shi)。充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終止是基于一(yi)個(ge)最小電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。內部可編程(cheng)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)定時(shi)器為充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終止和在熱調節(jie)狀態動態調節(jie)提(ti)供(gong)安全保障。

    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，系統也能完全正常工作。在終端設(she)備制(zhi)造(zao)過程中，LDO模式的特性對(dui)全面系統測(ce)試前的電(dian)路板(ban)測(ce)試也相當有用。

 BQ24060還提(ti)供(gong)過(guo)壓(ya)保(bao)(bao)(bao)護特性，在高(gao)壓(ya)情況下，該(gai)器(qi)件能(neng)(neng)夠(gou)迅速將充電器(qi)和系(xi)統與適(shi)配(pei)器(qi)相斷連，從而實現保(bao)(bao)(bao)護功能(neng)(neng)。此外，即使在環境溫度較高(gao)的(de)惡劣環境下，增強型(xing)熱過(guo)載保(bao)(bao)(bao)護穩(wen)壓(ya)特性也能(neng)(neng)確保(bao)(bao)(bao)BQ24060長(chang)期(qi)正常工(gong)作(zuo)(zuo)，比如夏(xia)季(ji)在汽車中(zhong)工(gong)作(zuo)(zuo)，或(huo)錯誤地連接至輸入電壓(ya)較高(gao)的(de)適(shi)配(pei)器(qi)。

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，提供電源狀態良好指示；短(duan)路與熱保護。

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，給工程師(shi)設計安全的(de)充(chong)(chong)電器提供了方便。BQ24060內(nei)部芯(xin)片(pian)溫(wen)度(du)達(da)到(dao)預定義的(de)溫(wen)度(du)閾(yu)值(zhi)后(hou)(如110℃)，IC溫(wen)度(du)只要進一步提升(sheng)就會讓(rang)充(chong)(chong)電電流下降，這有(you)助(zhu)于限制功耗，并為(wei)充(chong)(chong)電器提供熱保護。使結溫(wen)升(sheng)高到(dao)熱調節的(de)極(ji)大功耗取決于PCB板布局(ju)、散(san)熱通孔的(de)數量以及(ji)環境溫(wen)度(du)。從圖(tu)3中看(kan)出，1．2 s之后(hou)，熱環路會在2 s以內(nei)將有(you)效充(chong)(chong)電電流從1．2 A降到(dao)600 mA。

    采(cai)用BQ24060專用芯片設計的充(chong)電(dian)器，其(qi)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)如圖(tu)4所示，充(chong)電(dian)器從預充(chong)電(dian)階段(duan)轉向快充(chong)模式時，充(chong)電(dian)電(dian)流IBAT受芯片結溫TJ的限制而(er)緩慢上升，其(qi)間(jian)經歷了(le)一個(ge)熱調(diao)節過(guo)程(cheng)后(hou)，充(chong)電(dian)電(dian)流IBAT達到(dao)快充(chong)電(dian)流，進(jin)入恒流充(chong)電(dian)狀(zhuang)態(tai)，此后(hou)結溫開(kai)始下降，保證了(le)充(chong)電(dian)器工作于(yu)安(an)全狀(zhuang)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(ru)果充電(dian)安(an)全計時(shi)器有(you)固定設置的(de)(de)話，就會(hui)過(guo)早終止充電(dian)。BQ24060采用動態(tai)安(an)全計時(shi)器控制(zhi)電(dian)路，能在熱調節階段(duan)有(you)效延(yan)長安(an)全時(shi)間，并盡可(ke)能降低(di)安(an)全計時(shi)器的(de)(de)故障幾率。從圖(tu)5中可(ke)以看出(chu)，熱調節模式下的(de)(de)安(an)全計時(shi)器的(de)(de)響應與有(you)效充電(dian)電(dian)流成反比。

 外部熱(re)敏(min)電阻(zu)RT1和(he)RT2可以用來設置選擇溫度(du)(du)控(kong)制(zhi)充電窗口，如圖6所示。假設RTH和(he)RTC是(shi)熱(re)敏(min)電阻(zu)的高(gao)低(di)溫極限值(zhi)，RT1和(he)RT2是(shi)負溫度(du)(du)系數熱(re)敏(min)電阻(zu)，則(ze)RT1和(he)RT2可以用如下公(gong)式計算，先計算RT2，然后將RT2代入(ru)計算RT1：

    對(dui)于某熱(re)敏電阻，如果0℃和(he)45℃對(dui)應的阻值分別為(wei)27．28 kΩ和(he)4．912 kΩ，代入上(shang)面(mian)兩式，得：

4．2 快充電流750 mA的設計
    快(kuai)充電流的(de)設置(zhi)是通過調節BQ24060的(de)第6腳ISET端(duan)與地(di)Vss間的(de)阻抗RISET的(de)值來決定的(de)，其計算公式(shi)如下：

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

    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的安全計時器(qi)工作時間是通過設(she)置其(qi)第2腳TMR與地間的阻抗RTMR來決定(ding)的。其(qi)計算公式如下：

    通過查BQ24060的(de)(de)電特性表可(ke)得KCHG=0．1 h／kΩ，則當TCHR=5h時，有RTMR=5／0．1=50 kΩ。因此(ci)，在(zai)BQ24060的(de)(de)第2腳TMR與地間連接了一個49．9 kΩ的(de)(de)電阻，如圖6所示(shi)。

5 PCB設計
    BQ24060采用有(you)利于(yu)散熱的(de)(de)(de)(de)MLP封裝(zhuang)(zhuang)形式(shi)，這種封裝(zhuang)(zhuang)形式(shi)可提供一(yi)個(ge)熱端面，通過(guo)(guo)直(zhi)接(jie)焊(han)接(jie)的(de)(de)(de)(de)方式(shi)使IC與(yu)(yu)(yu)印(yin)刷(shua)線路板(ban)間有(you)效熱接(jie)觸(chu)，可靠焊(han)接(jie)后(hou)，通過(guo)(guo)熱傳(chuan)遞PCB就(jiu)相當于(yu)一(yi)個(ge)蓄熱裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)。這樣(yang)在(zai)設計PCB時就(jiu)可以(yi)(yi)合理優化(hua)設計，從(cong)而(er)(er)最大(da)限度地保證(zheng)良好(hao)的(de)(de)(de)(de)熱傳(chuan)導路徑和(he)蓄熱特性(xing)(xing)，從(cong)而(er)(er)使系統獲得極佳(jia)的(de)(de)(de)(de)熱穩定性(xing)(xing)能。本著就(jiu)近(jin)原則，在(zai)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)輸入(ru)端與(yu)(yu)(yu)地之(zhi)間一(yi)般放置(zhi)一(yi)個(ge)1 μF以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)(de)陶(tao)瓷電(dian)(dian)容(rong)，以(yi)(yi)加(jia)強高頻(pin)濾(lv)波，并(bing)有(you)利于(yu)充電(dian)(dian)器短暫熱插(cha)拔。該設計放置(zhi)了(le)一(yi)個(ge)4．7μF的(de)(de)(de)(de)陶(tao)瓷電(dian)(dian)容(rong)，最好(hao)通過(guo)(guo)過(guo)(guo)孔直(zhi)接(jie)與(yu)(yu)(yu)地層相連(lian)。該電(dian)(dian)容(rong)值應(ying)大(da)于(yu)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)輸出(chu)(chu)端放置(zhi)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)值。在(zai)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)輸出(chu)(chu)端放置(zhi)一(yi)個(ge)2．2μF的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)，同樣(yang)在(zai)布板(ban)時該電(dian)(dian)容(rong)要(yao)求(qiu)就(jiu)近(jin)與(yu)(yu)(yu)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)輸出(chu)(chu)端相連(lian)，并(bing)要(yao)求(qiu)短距入(ru)地，最好(hao)通過(guo)(guo)過(guo)(guo)孔直(zhi)接(jie)與(yu)(yu)(yu)地層相連(lian)。BAT和(he)ISET端間，放置(zhi)一(yi)個(ge)0．47 μF的(de)(de)(de)(de)陶(tao)瓷電(dian)(dian)容(rong)，有(you)助于(yu)回路的(de)(de)(de)(de)穩定性(xing)(xing)。在(zai)布板(ban)時，所有(you)小(xiao)電(dian)(dian)流的(de)(de)(de)(de)地應(ying)與(yu)(yu)(yu)大(da)電(dian)(dian)流地相互隔離，可采用單點地技術(shu)使小(xiao)信(xin)號地與(yu)(yu)(yu)大(da)信(xin)號地連(lian)接(jie)，在(zai)走線時要(yao)注意小(xiao)信(xin)號地與(yu)(yu)(yu)大(da)信(xin)號地的(de)(de)(de)(de)前后(hou)關系，避免共(gong)模(mo)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，同時具備輸入過壓保護(VOP)功能，有著較好(hao)的實用性。