使用雙極電晶體進行鋰離子電池充電

2020-11-30 電子產品世界

序言

隨著可攜式手持設備(如手機、PDA等)的功能不斷增加，加上對較小體積與更長電池壽命的要求，使得鋰電池成為許多此類設備的首選供電能源。本文將討論線性充電技術與相關的離散調節元件，並重點討論主要離散參數與選擇標準。

鋰離子電池充電周期

為模擬充電電路中的主要功率損耗，以便選擇正確的元件，我們必須了解鋰離子(Li-Ion)電池的充電周期。圖1 顯示了單個鋰離子電池的典型充電周期。預充電壓閾值(VPRE)、上端電池電極電壓閾值(VT)、以及再充電閾值(VRECHG)，取決於鋰離子電池的種類及不同的生產商。而預充與上端電壓極限的電壓差取決於電池的內部化學性質。

如圖1 所示，典型充電周期分為預充，快速充電(恆流)，快速充電(恆壓)以及充電終止 4 個階段。單個鋰離子電池的典型滿充周期為 3 小時。VLPROT和 VHPOT是高低保護電壓閾值，適用於具備內部保護電路的電池。

圖1  典型鋰離子單個電池充電特性圖

使用線性充電器對電池充電

線性充電器設計簡單，體積較小，並且沒有「開關模式轉換器」常有的噪音，這些優點使得線性充電器特別適用於小功率、低噪音應用。線性充電器使用外部調節元件，以將電池電壓由輸入電源降至電池電壓，因此功率損耗較大。圖2顯示具備外部調節元件與反向阻斷肖特基二極體的典型線性充電器應用。

圖2  典型線性電池充電器應用

調節元件 Q1 可以是 MOSFET 或雙極電晶體。MOSFET 需要串聯反向阻斷肖特基二極體，以阻止電流通過體二極體，由電池流向電源。也可以使用兩個 MOSFET，一個作為調節元件，另一個作為反向阻斷二極體。但是，作為反向阻斷裝置的肖特基二極體，其成本較 MOSFET 低。多數 PNP 電晶體可為單室鎳鎘與鎳氫電池提供反向阻斷能力，但此能力並未得到確定或保證。鋰離子電池(包括 4.2V 單室電池)，一般均需要阻斷二極體與標準雙極電晶體串聯。Zetex 提供多種特定應用電晶體，單室鋰離子電池充電所需的反向阻斷能力得到充分保證。 

線性電池充電器由於充電電壓的餘量較低(尤其當使用 USB 總線供電的充電器時)，因此需要額外肖特基二極體以實現反向阻斷。USB 電源電壓可在 4.4V 至 5.25V 之間浮動。

恆流階段過程中，電池電壓增加，電晶體集電極發射極電壓降低，直至電晶體接近飽和區且增益開始下降。充電控制器透過傳感電阻器檢測到這一情況，並透過增加基極驅動加於補償，由此保持充電電流。因此，電晶體飽和特性對於充電周期此時輸送充電電流十分重要，必須低於最低電路電壓，同時，應考慮電壓與電池電壓、傳感器電壓降以及所使用的任何二極體的正向電壓。應明確指出的是，當輸入電壓較低(如 4.4V)，飽和特性更顯重要。

以圖2的電路為例，此電路的 USB 埠輸入電壓為 4.75V(高功率 USB 埠電壓範圍的下限)，充電電流為 500mA。反向阻斷肖特基二極體正向壓降為 0.35V。如果電晶體的飽和電壓為 0.3V，傳感電阻器的電壓(VS)則為 4.1V。傳感電阻器的電壓可進一步下降，電池的電壓低於 4.1V 時將不足以充滿鋰離子電池。當電源電壓低至 4.4V(如低功率 USB 埠)，此情況更為嚴重。

Zetex 的特定應用電晶體具備極低飽和電壓，且無需反向阻斷二極體即可對單室鋰離子電池進行線性充電，因此可保持必要的餘量。

圖 3 顯示典型 USB 總線供電單室鋰離子線性電池充電器應用，在此應用中，Zetex 低飽和 ZXTP25020CFF 雙極 PNP 電晶體同時具備反向阻斷能力。

圖3  充電階段

IC1 驅動能力通常可為 5mA 至 50mA，並可能需要 250mA至1mA的靜態電源電流。

功率損耗計算

當電池處於預充電壓閾值(VPRE)，充電階段進入快速充電—恆流階段，此時將產生最大功率損耗。對於正常工作狀態時出現最高功率損耗的情況，其主要功率損耗區及計算範例如下所示。

此應用實例的電池規格為：
電池：單室鋰離子 500mAh
如用於可攜式手持設備(手機、MP3 播放器等)
電池預充閾值VPRE = 3V
電池上端電壓閾值VT = 4.2V
快速充電額定值 1C = 500mA
對於圖2中的實例，元件與電源規格為：
最大 USB 電源電壓VIN MAX=5.25V
IC1 輸入電源電流IIC_SUPPLY (Max) = 1mA
Q1 PNP 電晶體 = ZXTP25020CFF
基極發射極電壓VBE = 0.7V  
雙極 PNP 的 hFE 增益 = 275(通常於25℃，500mA 的集電極電流) 
RSENSE = 0.1
Pd(IC) = VIN MAX

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