基于BQ24060的鋰離子電池充電器的設(shè)計

摘要：鋰離子電池充電器的發(fā)熱問題一直是電子工程師在進(jìn)行鋰離子電池充電器設(shè)計時的難點(diǎn)之一，如果設(shè)計不周密，會帶來安全問題。這里介紹了TI公司的鋰離子電池充電器專用芯片BQ24060的技術(shù)特點(diǎn)，詳細(xì)敘述使用BQ24060芯片設(shè)計鋰離子電池充電器時熱調(diào)節(jié)保護(hù)功能的設(shè)計方法及要點(diǎn)，并給出了典型應(yīng)用電路。經(jīng)過實踐驗證，該方案達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：BQ24060；鋰離子電池；充電器；熱保護(hù)

    鋰離子電池充電器的發(fā)熱問題一直是電子工程師在進(jìn)行鋰離子電池充電器設(shè)計時的難點(diǎn)之一，如果設(shè)計不周密，會帶來安全問題。從電量和容量兩方面來講，鋰離子電池的能量密度都很大，因此廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備，如PDA、MP3、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。由于高集成度線性電池充電器簡單易用、成本低、體積小，因此廣泛應(yīng)用于為單體鋰離子電池充電。但是，如果用不具備熱調(diào)節(jié)功能的適配器給便攜式系統(tǒng)鋰離子電池充電，線性充電器的散熱難題就會凸顯出來，難以保證在安全散熱范圍內(nèi)工作。這里介紹一種基于TI公司的鋰離子電池充電器專用芯片BQ24060、支持熱調(diào)節(jié)保護(hù)功能的鋰離子電池充電器的設(shè)計方法。它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(hù)(VOP)功能。有著較強(qiáng)的實用性。

1 BQ24060芯片功能特點(diǎn)
    BQ24060是TI公司的一個高集成的鋰離子電池充電管理IC，其功能引腳如圖1所示，表1介紹了各引腳功能。BQ24060提供能在有限空間里完成多功能的、安全的滿充電的鋰離子電池充電器設(shè)計，其內(nèi)部集成了1 A功率FET以及電流傳感器，因而能夠承受高達(dá)26 V的輸入電壓。該產(chǎn)品還提供具備獨(dú)特安全與低壓降特性的全面充電管理功能，以延長電池使用壽命。BQ24060可以使鋰離子電池分三階段進(jìn)行充電：預(yù)充電方式、恒流熱調(diào)節(jié)充電方式、精確恒壓充電方式。充電終止是基于一個最小電流。內(nèi)部可編程充電定時器為充電終止和在熱調(diào)節(jié)狀態(tài)動態(tài)調(diào)節(jié)提供安全保障。

    BQ24060充電算法縮短了充電時間，實現(xiàn)了總充電量的最大化，并可保護(hù)電池免遭過熱損壞或電損壞。當(dāng)電池電壓降到內(nèi)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(jìn)入低功耗睡眠模式。BQ24060集成了反向阻斷保護(hù)機(jī)制，以避免在沒有DC供電的情況下發(fā)生電池漏電的情況。此外，BQ24060經(jīng)過配置后，還能在LDO模式下工作，這樣，即使沒有電池，系統(tǒng)也能完全正常工作。在終端設(shè)備制造過程中，LDO模式的特性對全面系統(tǒng)測試前的電路板測試也相當(dāng)有用。[!--empirenews.page--]
    BQ24060還提供過壓保護(hù)特性，在高壓情況下，該器件能夠迅速將充電器和系統(tǒng)與適配器相斷連，從而實現(xiàn)保護(hù)功能。此外，即使在環(huán)境溫度較高的惡劣環(huán)境下，增強(qiáng)型熱過載保護(hù)穩(wěn)壓特性也能確保BQ24060長期正常工作，比如夏季在汽車中工作，或錯誤地連接至輸入電壓較高的適配器。

2 BQ24060的關(guān)鍵技術(shù)特性
    BQ24060的關(guān)鍵技術(shù)特性為：熱穩(wěn)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(hù)將最大輸入電壓設(shè)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(yīng)用的需求；反向漏電保護(hù)可避免電池漏電；穩(wěn)壓精度在±0．5％以內(nèi)；最小電流時充電終止；預(yù)充電調(diào)節(jié)具備安全計時器功能；針對LED或系統(tǒng)接口的狀態(tài)輸出可指示充電與故障情況，提供電源狀態(tài)良好指示；短路與熱保護(hù)。

3 BQ24060芯片熱調(diào)節(jié)保護(hù)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(yù)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(yù)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(dāng)電池電壓達(dá)到3．O V時，充電器就會進(jìn)入CC階段?？斐銫C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(jié)點(diǎn)上積存的金屬鋰會與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，造成永久損失。最后，充電器會進(jìn)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(yù)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(jìn)設(shè)計才能確保充電器在安全散熱范圍內(nèi)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(diào)節(jié)環(huán)路，可避免充電器過熱，給工程師設(shè)計安全的充電器提供了方便。BQ24060內(nèi)部芯片溫度達(dá)到預(yù)定義的溫度閾值后(如110℃)，IC溫度只要進(jìn)一步提升就會讓充電電流下降，這有助于限制功耗，并為充電器提供熱保護(hù)。使結(jié)溫升高到熱調(diào)節(jié)的極大功耗取決于PCB板布局、散熱通孔的數(shù)量以及環(huán)境溫度。從圖3中看出，1．2 s之后，熱環(huán)路會在2 s以內(nèi)將有效充電電流從1．2 A降到600 mA。[!--empirenews.page--]

    采用BQ24060專用芯片設(shè)計的充電器，其充電過程如圖4所示，充電器從預(yù)充電階段轉(zhuǎn)向快充模式時，充電電流IBAT受芯片結(jié)溫TJ的限制而緩慢上升，其間經(jīng)歷了一個熱調(diào)節(jié)過程后，充電電流IBAT達(dá)到快充電流，進(jìn)入恒流充電狀態(tài)，此后結(jié)溫開始下降，保證了充電器工作于安全狀態(tài)。

    如果非理想的工作條件引起IC結(jié)溫達(dá)到極限值Tj，充電循環(huán)激活內(nèi)部控制回路系統(tǒng)將被調(diào)節(jié)，并控制其它充電控制回路，進(jìn)而減小充電電流，直到IC結(jié)溫小于Tj，使IC工作于安全溫度下。
    熱調(diào)節(jié)通常在快充早期階段進(jìn)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(dá)到充電終止閾值。為了避免錯誤充電終止，只要散熱調(diào)節(jié)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。如果充電安全計時器有固定設(shè)置的話，就會過早終止充電。BQ24060采用動態(tài)安全計時器控制電路，能在熱調(diào)節(jié)階段有效延長安全時間，并盡可能降低安全計時器的故障幾率。從圖5中可以看出，熱調(diào)節(jié)模式下的安全計時器的響應(yīng)與有效充電電流成反比。

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  外部熱敏電阻RT1和RT2可以用來設(shè)置選擇溫度控制充電窗口，如圖6所示。假設(shè)RTH和RTC是熱敏電阻的高低溫極限值，RT1和RT2是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，則RT1和RT2可以用如下公式計算，先計算RT2，然后將RT2代入計算RT1：

    對于某熱敏電阻，如果0℃和45℃對應(yīng)的阻值分別為27．28 kΩ和4．912 kΩ，代入上面兩式，得：

4．2 快充電流750 mA的設(shè)計
    快充電流的設(shè)置是通過調(diào)節(jié)BQ24060的第6腳ISET端與地Vss間的阻抗RISET的值來決定的，其計算公式如下：

    通過查BQ24060的電特性表可得VSET=2．5 V，KSET=335，當(dāng)，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(shè)計
    BQ24060的安全計時器工作時間是通過設(shè)置其第2腳TMR與地間的阻抗RTMR來決定的。其計算公式如下：

    通過查BQ24060的電特性表可得KCHG=0．1 h／kΩ，則當(dāng)TCHR=5h時，有RTMR=5／0．1=50 kΩ。因此，在BQ24060的第2腳TMR與地間連接了一個49．9 kΩ的電阻，如圖6所示。

5 PCB設(shè)計
    BQ24060采用有利于散熱的MLP封裝形式，這種封裝形式可提供一個熱端面，通過直接焊接的方式使IC與印刷線路板間有效熱接觸，可靠焊接后，通過熱傳遞PCB就相當(dāng)于一個蓄熱裝置。這樣在設(shè)計PCB時就可以合理優(yōu)化設(shè)計，從而最大限度地保證良好的熱傳導(dǎo)路徑和蓄熱特性，從而使系統(tǒng)獲得極佳的熱穩(wěn)定性能。本著就近原則，在電源輸入端與地之間一般放置一個1 μF以上的陶瓷電容，以加強(qiáng)高頻濾波，并有利于充電器短暫熱插拔。該設(shè)計放置了一個4．7μF的陶瓷電容，最好通過過孔直接與地層相連。該電容值應(yīng)大于電源輸出端放置的電容值。在電源輸出端放置一個2．2μF的電容，同樣在布板時該電容要求就近與電源輸出端相連，并要求短距入地，最好通過過孔直接與地層相連。BAT和ISET端間，放置一個0．47 μF的陶瓷電容，有助于回路的穩(wěn)定性。在布板時，所有小電流的地應(yīng)與大電流地相互隔離，可采用單點(diǎn)地技術(shù)使小信號地與大信號地連接，在走線時要注意小信號地與大信號地的前后關(guān)系，避免共模干擾。

6 結(jié) 語
    實際上，鋰離子電池充電器的要求比較高，既要實現(xiàn)快充，又要保證安全，其技術(shù)難點(diǎn)就在于電池的發(fā)熱問題。這里介紹的支持熱調(diào)節(jié)保護(hù)功能的鋰離子電池充電器的設(shè)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(hù)(VOP)功能，有著較好的實用性。