通过2A连续充电缩短高容量锂离子电池的充电时间

高容量锂离子电池满足了耗电便携式设备的需求，但它们也增加了对电池充电器的要求——对于标准线性充电器来说，这些要求可能过高。例如，以 1A 充电电流运行的线性充电器在一小时内将 1Ahr 电池充电至 70% 容量，并在三小时内充满电。较新的 2Ahr 电池需要两倍的电流才能在相同的时间内充满电。问题在于，工作电流为2A的线性充电器会产生太多的热量，无法连续充电，效率太低。LTC4001 通过集成一个高效率 PWM 充电器来执行连续的 2A 电池充电，从而解决了这一问题。它可与标准和限流壁式适配器配合使用，后者可降低电池充电器的耗散和工作温度。

大功能;占地面积小

基于 LTC4001 的全功能电池充电器需要的面积不超过一角硬币。包括完全可编程的定时器和充电速率终止。还包括自动电池“加电”。滤波可防止在嘈杂的环境中发生意外充电（例如在GPRS蜂窝电话中发现）。LTC4001 可与 NTC 热敏电阻配合使用，以实现电池温度检测。包括远程电池感应。软启动是完全可编程的。LTC4001 还驱动充电状态 LED，并为基于微处理器的设计提供逻辑信号。

LTC4001 纤巧型，适合采用 4mm × 4mm 封装，但其他因素也会导致充电器的小占位面积。高工作频率 （1.5MHz） 减小了电感器和电容器的尺寸。内置输入短路阻断功能，因此无需外部二极管。电流检测是内部的，因此不需要昂贵的毫欧尺寸电流检测电阻。

LTC4001 内部

LTC®4001 是完整的 2A 锂离子电池充电器的基础（图 2）。一个50mA线性充电器提供电池调节，而一个同步降压充电器提供恒流/恒压高倍率充电（高达2A）。保护和锁定可防止各种事件，包括：电池和墙上适配器输入短路;充电电流编程不当;打开电池和/或过压电池;电池有缺陷;墙上适配器电压不足;芯片过温;电池温度过高或过低。

图2.LTC4001锂离子电池充电器的简化框图。

裸骨充电器

图3显示了一个裸露的2A电池充电器。这款充电器只有五个附加组件，可提供高效、高功率的解决方案。这种实现省略了状态指示灯、电池温度监测和定时器（可以由微处理器提供）。代替计时器，当充电电流降至高速充电电流的十分之一以下时，充电终止（在这种情况下，IDET阈值等于200mA）。通过将定时器引脚连接到IDET引脚而不是接地（允许微处理器完全控制充电端接），可以完全破坏内部充电端接。

图3.一个裸露的电池充电器。

添加状态指示灯

CHRG 引脚指示各种充电器状态（表 1）。将此引脚串联的电阻器和 LED 添加到 V在（图 4） 表示充电器关闭（LED 熄灭）、高速率充电或电池调节（LED 在高亮度下持续亮起）和电池温度超出范围/NTC 故障（LED 闪烁）。

图4.一个简单的状态指示器。

 

充电器状态	CHRG行为
不充电	打开
高速充电和IBAT＞IDET或电池调节	NMOS导通，将引脚拉低
高速率收费和IBAT＜IDET	30µA下拉电流
在IBAT>IDET充电时出现NTC温度故障	Blink

 

LED 还会指示电池何时接近充满电。当电池接近浮动电压并且充电电流降至I德特阈值指示灯亮起昏暗。这很难看出，因此更好的方法是使用两个 LED 来指示所有充电器状态（图 5）。

图5.全功能状态指示。

与微处理器接口

图6中的接口可以区分CHRG引脚上可用的所有状态。要检测电池调节或高速率充电，请强制数字输出引脚OUT为高电平，并测量CHRG引脚上的电压。N 沟道 MOSFET 将 CHRG 拉低，即使使用 2k 上拉电阻也是如此。接近充电结束时，NMOS 关断，CHRG 仅吸收 30μA 电流。IN引脚由连接到OUT的2k电阻器拉高。如果将OUT置于高阻抗状态，则来自CHRG引脚的30μA灌电流将拉入低电平。当充电停止时，CHRG 打开并且 OUT 保持高电平，即使使用 390k 上拉电阻也是如此。

图6.微处理器接口。

如果在高速率充电期间发生电池温度故障，CHRG 引脚将使用锯齿状脉冲模式闪烁。该模式的标称时序如图7所示。额外的边沿为微处理器提供快速指示，可用于驱动微处理器中断线以降低处理器开销，但在使用 LED 时仍提供可见的故障指示。

图7.CHRG温度故障波形。

电池温度检测

通过增加一个电阻和一个热敏电阻，可以包括电池温度检测。LTC4001 专为 Vishay Dale 的“R-T 曲线 2”热敏电阻而设计，但任何具有 R冷-to-R热大约 7 的比例也可以。如果不需要电池检测，则NTC引脚接地。

使用传统和限流墙式适配器操作

具有或不具有电流限制功能的墙上适配器可与 LTC4001 配合使用，但功耗最低的电池充电采用一个限流墙上适配器。要使用此功能，请将 LTC4001 编程为高于墙上适配器电流限值。例如，如果墙上适配器的电流限值为 2A，则将 LTC4001 充电电流设置为略高于 2A （允许容差）。

为了理解限流壁式适配器的操作，假设电池电压VBAT最初低于VTRIKL，即涓流充电阈值（图8）。电池充电开始于约50mA，远低于壁式适配器电流限制，因此LTC4001（VIN）的电压是壁式适配器的额定输出电压（VADAPTER）。电池电压上升，最终达到VTRIKL。线性充电器关闭，PWM（高速率）充电器使用软启动打开。电池充电电流在软启动循环期间上升，导致墙壁适配器负载电流相应增加。当壁式适配器达到电流限制时，壁式适配器输出电压崩溃，LTC4001 PWM充电器占空比上升至100%（LTC4001降压调节器中的顶部PMOS开关持续接通。）当电池电压接近VFLOAT时，浮动电压误差放大器命令PWM充电器提供小于ILIMIT的电压。墙壁适配器退出电流限制，VIN跳回到VADAPTER。电池充电电流随着VBAT的上升而持续下降，在VFLOAT时降至零。

图8.理想化的充电行为。

由于 LTC4001 中的压降在充电电流最高时非常低，因此功耗也非常低。

低耗散

涓流充电使用线性充电器，但低充电电流产生低功耗，典型值为256mW （V在= 5V， V.BAT= 0）。高速率充电使用高效降压开关，1A 时充电器总功耗约为 2.2W（图 9）。使用限流壁式适配器进行高速率充电可产生更低的充电器耗散（V 时为 537mW）.BAT= 4.2V （采用一个 2A 电流受限的墙上适配器），因为 LTC4001 内部的电池充电路径的压降非常小。

图9.高倍率充电器功耗。

那么，LTC4001 的耗散如何与一个 2A 线性充电器相媲美呢？线性充电器的大部分耗散发生在串联调整元件中，因此耗散大约等于调整元件中的压降乘以充电电流。最坏情况的耗散发生在发生高速率充电的最低电池电压处 （为了与 LTC4001 进行有效的比较，功耗为 2.85V）。对于5.0V输入，这意味着4.3W的功耗！较高的输入电压使情况变得更糟。

具有所有花里胡哨的充电器

全功能电池充电器如图10所示。它包括一个三小时定时器、电池温度监控、可编程充电和 I德特电流、遥感和状态灯。包括一个故障灯，用于指示何时检测到电池短路或电池超出正常温度范围。

图 10.功能齐全的电池充电器。

结论

LTC4001 为小型、低部件数、全功能、高效率锂离子电池充电器树立了新标准。低功耗使连续2A电池充电变得实用，将功耗降至直线线性充电器的五分之一左右。

审核编辑：郭婷