线性锂电池充电器设计挑战及对策

对诸如数码相机（DSC）、MP3播放机、个人数字助理（PDA）和蜂窝电话等体小量轻的便携式设备中常见的单节锂离子电池或锂聚合物电池而言，其充电器之首选当推线性电池充电器。线性充电器解决方案之所以被低功率电池充电所采用，原因有两个，即结构简单和外形小巧。

这种充电器的广受欢迎促使多家IC制造商迫不及待地推出自己的产品。然而，此类充电器设计往往忽视了某些特定的技术细节，而这些细节如果在设计周期的开始阶段未能正确地予以解决，则有可能为现场应用埋下故障隐患。在了解了特定应用对锂离子电池充电的独特要求，充电器IC设计能够确保安全和无故障的充电操作。

本文将讨论便携式设备的系统设计师无法回避的诸多特定的电池充电难题。每项设计难题所涉及的特定充电要求将被探讨，并提供一个合适的解决方案。此外，还将介绍一款精致且结构简单的电池充电器IC解决方案。

极低电流条件下的精准充电：钮扣型电池或10mA至150mA充电

除了功率要求之外，便携式设备的体积和重量往往将决定所采用的锂离子化学电池的外形尺寸和种类。这里，我们以一个紧凑型头戴式蓝牙收发装置为例（见图1）。由于其外形结构紧凑小巧，所以几乎没有电池的容身之地。此时电池的首选通常是钮扣型可再充电锂离子电池。这种纤巧型电池一般只需要75mA至200mA的充电电流，远远低于体积较大和容量较高的棱柱和圆柱状电池的充电电流要求。

然而，标准线性锂离子电池充电器的准确度通常只在充电电流高于300mA的场合才得到保证。充电电流低于该值时的充电准确度未做规定，令设计师只能揣测其准确度。小型锂离子电池充电不精确的后果将是电池温升过高、过早老化或永久损坏。



精确的低电流充电器完全不需做任何的猜测工作，并能在低值充电电流条件下保证高准确度。不过，虽然这种充电器仍旧必须具有外形小巧和结构简单的特点，但同时还须具有足够的功能，例如过流和过压保护以及充电终止和低电池漏电流，以便把微控制器解放出来。

凌特（Linear Technology）公司推出的LTC4054L是一款采用SOT-23封装并具有高充电准确度的线性电池充电器，适合于诸如钮扣型可再充电锂离子电池等低电流电池充电应用。充电电流准确度在10mA电流条件下达到7%，而在150mA电流条件下为5%。LTC4054L同时也是一款独立型充电器，其操作无需使用微控制器或固件。在停机期间，电池漏电流低于2础。

与电池和充电器之间距离无关的精准浮动电压：消除了因PCB走线/电缆电阻所导致的电压误差

电池充电器与电池终端之间的距离会由于连接线、电缆或PCB走线两端的压降而在充电期间引起电压误差。因此，锂离子电池制造商建议充电电压准确度至少应达到1%。例如，一根3/32英寸宽的铜走线具有每英寸为14m  的电阻。如果电池的充电电流为600mA且必须布设在距离电池充电器IC四英寸的地方，则误差电压将达到34mV（即电池的4.2V浮动电压的8%）。不仅如此，该电压误差还会导致充电器过早地终止快速充电（恒定电流）周期。而如果选择由IC按时（比如：2小时）终止充电周期的做法，则电池将只被部分充电，从而导致更加频繁的再充电。最后，如果充电器在达到某一特定充电电流（例如：快速充电电流值的1/10）之后终止操作，则其将需要花费更多的时间才能把电池充满。

如果想消除这种充电的不精确性，则电池充电器应能够对电池终端进行开尔文（Kelvin）检测。开尔文检测（有时被称为遥测）允许电池充电器的误差放大器在电池的终端上测量电池电压，并对由于PCB走线或电缆阻抗所引起的误差电压进行补偿。消除了该电压误差之后，当需要把电池和电池充电器IC布设在相对地较远的地方时，就不会以牺牲充电电压的准确度为代价。

凌特公司推出的LTC4058是一款具有开尔文检测能力的独立型锂离子电池充电器。其专用BSENSE引脚负责监视电池终端上的电压，以便在高充电电流条件下对PCB走线或电缆阻抗所引起的误差电压予以校正。通过将精密的电压基准和电池遥测能力结合起来，LTC4058实现了准确度达±1%的电池浮动电压。而且，该充电器还能够为单节锂离子电池提供高达950mA的充电电流。最后需要指出的是LTC4058还具备诸如过压、软起动、过热和反向电流保护等功能以及预查验和自动再充电等电池监护功能，详见图2。



很长的时间里都保持未用状态，只是在急需备用功率的情况下才被使用，例如电池只在出现掉电且急需进行存储备份时使用。这种条件与延长电池使用寿命的推荐贮存准则相似。延长后备系统的4.2V或4.1V锂离子电池使用寿命的一种优选方法是将其部分充电至一个低于电池最大浮动电压的电压值。

凌特公司的 LTC4064 是专为延长电池后备应用（例如RAID阵列）中的单节锂离子电池使用寿命而优化的独立型线性充电器。通过仅将电池充电至 4.0V（而不是4.1V或4.2V）的浮动电压，LTC4064减缓了电池的老化过程以及由于电池使用率低（但必须长时间地保持满充电状态）所造成的容量退化，见图3。



涓流充电期间的确保型系统上电

图4示出了一种电池充电和系统负载加电的常见方法。在充电周期中，电池充电器负责向系统负载和电池输送电流。如果电池电量耗尽（即电池电压≤2.9V），则电池充电器的充电周期将在涓流充电模式中开始，并且只允许流过小量（几十个毫安）的电流。充电器IC只在电池电压达到一个安全的电平之后才起动一个快速充电模式，以便为负载提供较高的电流。