使用雙極晶體管進行鋰離子電池充電

序言

隨著便攜式手持設備(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，并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。顯示了單個鋰離子電池的典型充電周期。預充電壓閾值(V_PRE)、上端電池電極電壓閾值(V_t)、以及再充電閾值(V_RECHG)，取決于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于電池的內部化學性質。

典型充電周期分為預充，快速充電(恒流)，快速充電(恒壓)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。V_LPROT和V_HPOT是高低保護電壓閾值，適用于具備內部保護電路的電池。

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，并且沒有“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于小功率、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。顯示具備外部調節元件與反向阻斷肖特基二極管的典型線性充電器應用。

調節元件Q1可以是MOSFET或雙極晶體管。MOSFET需要串聯反向阻斷肖特基二極管，以阻止電流通過體二極管，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管。但是，作為反向阻斷裝置的肖特基二極管，其成本較MOSFET低。多數PNP晶體管可為單室鎳鎘與鎳氫電池提供反向阻斷能力，但此能力并未得到確定或保證。鋰離子電池(包括4.2V單室電池)，一般均需要阻斷二極管與標準雙極晶體管串聯。Zetex提供多種特定應用晶體管，單室鋰離子電池充電所需的反向阻斷能力得到充分保證。

線性電池充電器由于充電電壓的余量較低(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管以實現反向阻斷。USB電源電壓可在4.4V至5.25V之間浮動。

恒流階段過程中，電池電壓增加，晶體管集電極發射極電壓降低，直至晶體管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，并透過增加基極驅動加于補償，由此保持充電電流。因此，晶體管飽和特性對于充電周期此時輸送充電電流十分重要，必須低于最低電路電壓，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管的正向電壓。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。

此電路的USB端口輸入電壓為4.75V(高功率USB端口電壓范圍的下限)，充電電流為500mA。反向阻斷肖特基二極管正向壓降為0.35V。如果晶體管的飽和電壓為0.3V，傳感電阻器的電壓(V_s)則為4.1V。傳感電阻器的電壓可進一步下降，電池的電壓低于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端口)，此情況更為嚴重。

Zetex的特定應用晶體管具備極低飽和電壓，且無需反向阻斷二極管即可對單室鋰離子電池進行線性充電，因此可保持必要的余量。

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晶體管同時具備反向阻斷能力。

ICI驅動能力通常可為5mA至50mA，并可能需要250gA至lmA的靜態電源電流。

功率損耗計算

當電池處于預充電壓閾值(V_PRE)，充電階段進入快速充電—恒流階段，此時將產生最大功率損耗。對于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范例如下所示。

此應用實例的電池規格為：

電池：單室鋰離子500mAh

如用于便攜式手持設備(手機、MP3播放器等)

預充電、快速充電——恒流以及快速充電一恒壓階段開始時，可采用類似計算方法。當選用PNP晶體管時，必須采用上述最高功率損耗方案，以滿足功率與溫度處理的要求。

電源電壓與電池電壓的差值越大，充電器的效率就越低。

最大允許充電電流取決于PNP裝置的熱處理能力、電路板的熱阻抗以及電源電壓與電池之間的電壓差。功率損耗需與裝置上PCB銅箔面積的熱阻抗相匹配，以將裝置與匯接處溫度維持于正常工作范圍內。

雙極PNP晶體管選擇

為選擇適合線性充電器應用的雙極元件，必須考慮以下參數：

·集電極一發射極擊穿電壓。

·工作ICHG/IB條件下的低回動電壓(飽和電壓)。

雙極晶體管的低回動電壓允許電池透過低余量電源進行充電(即電源與電池電壓之間的低差動電壓)。

·hFE增益。

為允許充電器IC的較低基極驅動，雙極型元件應具備高hFE增益。

·反向阻斷電壓能力。

PNP晶體管應具備反向阻斷能力，以用于單室鋰離子線性電池充電器。反向阻斷能力使得USB電池充電(或相似電源電壓范圍)可以無視上述的電壓余量問題，并且，由于不再需要肖特基二極管，即降低了方案成本，也減少了裝置體積。

·雙極元件的功率與熱處理能力及其封裝。

對于便攜式設備，晶體管封裝體積十分重要，但仍要求具備良好的功率與熱處理能力。

線性充電器應用分為：

a)USB充電

USB集線器端口可以提供100mA至500mA的電流，電流的大小取決于集線器是USB總線供電型或自供電型。自供電型集線器的每個端口均可提供達至500mA的電流，而總線供電型集線器的每個端口僅可提供100mA的電流。USB適應端口的電壓饋送，100mm端口為4.4V至5.25V，500mA端口為4.75V至5.25V。

透過USB端口進行充電的線性電池充電器，必須符合USB電壓與電流規格。

b)透過低電壓DC-DC或AC-DC墻上適配器進行充電

線性電池充電器可由供電能力達至700mA的低電壓AC-DC墻上適配器進行供電。墻上適配器的電壓范圍通常為4.5V至5.5V，最高可達至7V。當出現高輸入電壓時，肖特基二極管可用于分擔功率損耗，由此允許較大充電電流。

Zetex提供多種反向阻斷肖特基二極管，如溫度為25℃，電流為500mA時，典型正向電壓降為0.35V的ZHCSl000。

c)使用高電壓充電

對于高達50mA的充電電流以及高達36V的高電壓，線性充電器仍可提供簡單、低成本的解決方案。利用汽車電池對手提裝置充電的外置線性充電器便是此類應用的實例之一。

由于充電電流取決于PNP裝置的功率與熱處理能力，以及電源電壓與電池之間的電壓差，高于50mA的充電電流可由低于36V的電源提供。

對于汽車應用，需要應對負荷突降的附加保護。

結語

從功率損耗分解計算中可看出，在線性電池充電周期的所有階段中，充電器電路的主要損耗在于調節元件的通電損耗。當鋰離子電池處于預充電壓閾值，且恒流充電階段開始，此時的快速充電功率損耗最明顯，并將達至極限。調節元件需要考慮的關鍵參數為功率與熱額定值、飽和電壓、反向阻斷能力以及封裝。Zetex的特定應用低飽和電壓雙極PNP晶體管可提供反向阻斷，同時保持必要的充電電壓余量，適用于單室鋰離子線性充電器應用。