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Leadtrend 通嘉科技推出LD6275充电 IC 解决充电器方案

 2013-10-16

为满足低耗电可携式产品对于更精确、更安全的充电器应用需求,许多IC制造商发展出低成本线性充电器。图1是以通嘉科技的LD6275充电IC为设计范例,构成仅需少数外部零件的独立式线性充电器电路,其具备1.5A的最大充电电流。

LD6275是一个高整合度的锂离子电池线性充电器 IC,具备主动电源路径管理,在负载端电流进行加载/卸除的情况下,实时调整电池充电电流,有效监控管理输入电流(即USB埠的输出电流),符合USB – IF所规范的浪涌电流限制和软启动功能的要求。此外,IC内整合有温度检测功能,如果IC温度超过设定值。会自动降低充电电流以保护芯片避免损坏。

LD6275将电源适配器/USB埠的5V直流电源进行降压稳流,对锂离子电池进行充电,为防止电源适配器的过电流超载,可以外部电阻RCISET设定最大充电电流限制。同时支持计算机USB端口充电模式,并依据外部脚位EN1与EN2进行设定,各模式请见表1。透过为USB 500mA与USB 100mA操作模式设定,可以保护PC端USB埠避免过载。

LD6275具有适应性电源路径管理(Adaptable Power Path Management, APPM)功能,其为以供给系统端用电为主,对电池充电为辅,如图2所示;当系统用电超过输入电源的供给限制时,其电池亦能主动开启放电功能同时对系统端供给其所需之电能需求,如图3所示。

LD6275开放两段的电池设定电压与充电电流的调整,可根据其需求动态调整,如为符合日本JEITA的规范要求根据电池之温度而调整充电器之设定,如下图4表示。

由于LD6275本身耗电极小,仅1~2mA,几乎可以忽略,因此IC本身发热功率Pd可以由下列公式计算:

 

 

Vin为输入电源电压,工作范围4.1V~6V。VBAT是电池电压,可以由0~4.2V,ICHG为设定充电电流,由外部电阻RCISET设定之。当电池电压低于3V时,会进入预充电模式,IC内部默认以ICHG的10%电流进行充电。

假设使用5.5V电源供应器对单颗1200mAh锂离子电池进行充电,在0.7°C快速充电电流时,且电池电压为3V的条件下,可以预估IC运作的最大耗电量为,1.762W的耗电最大值,此一功耗会使得热阻抗60°C /W的3×3毫米QFN封装温度温升127°C,即便环境温度0°C时,也已经超过所允许的125°C硅芯片操作温度最大值。若设定充电电流为0.6A(0.5C),则可降低IC温升为90度,可以操作于35度的环境温度中,因此是较佳的设定电流。

由以上可以得知,快速充电稳流值和电源供应电压的操作范围,对于线性充电器相当重要。线性充电器的根本问题在于操作时芯片温度较高,使得设计时必须在充电电流和散热机构之间做取舍。但往往线性充电器的应用范围是需要轻薄要求的携带型产品,多使用导热性差的塑料外壳,亦不考虑金属散热片,最后产品设计者唯有降低充电电流并延长充电时间,来换取较低的操作温度。基于可携式产品用户,希望能够在1~2小时中完成充电,因此线性充电器通常比较适合1500mAh以下的低容量锂离子电池应用。若要应用于高输入/输出电压差或高容量电池的充电应用,此时可以考虑应用同步交换式充电器。

图6所示为锂离子电池充电器的标准充电流程,首先充电IC侦测是否有输出短路或是过载的保护模式,若系统一切正常接着侦测电池初始电压是否达到3V以上,高于3V者就直接以快充模式进行高电流充电,若电池低于3V者,进入预充电模式,以快充的10%进行充电,唤醒电池并避免电池损坏。在预充电阶段,仍随时侦测电池电压,达到3V后可随即切入快充模式。

在快充模式下,电池的电压以较高速度上升,升高至4.2V时,切换至4.2V的定电压充电,由电池本生的内阻进行限流, CV阶段。随着时间过去,充电电流呈现指数曲线递减,当到达设定电流ICHG的10%,即关闭充电器,同时指示充电完成。

然而,当电池故障时,电池可能无法储存电能,电压抑不会升高,所充入的能量转变成热,除了依靠过温度保护机制之外,IC内部亦具有超时定时器,无论此时电池电压状态如何,只要超过设定充电时间后,随即关闭充电器,以达到多重保护用户之功能。

使用者亦有可能在充电或式充电完毕后,在未将电源移除的情况下,即抽离电池的情况。为避免造成危险,IC内部应具有如图6, 7的电池存在侦测机制。充电IC会以短时间脉冲(每370ms产生2ms的脉冲)方式抽取电池电流,此时若电池存在,则侦测到的电池电压应大于一默认阀值;若电池已切离,则充电IC侦测到一低电压,即可判定为电池断开状态,并将电池端电压切断,保护用户安全。

结论:

锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式装置如笔记计算机、摄影机、移动通讯中得到普遍应用。而新一代的聚合物锂离子电池在形状上可做到薄形化、任意面积化和任意形状化,大大提高了电池造型设计的灵活性。同时,聚合物锂离子电池的单位能量比目前的一般锂离子电池提高了20%,其容量、与环保性能等方面都较锂离子电池皆获得改善。因此可以预见的是,未来锂离子电池的充电器,亦朝向更快速的充电速率与更强健的系统保护能力为未来发展趋势。