原创 使用双极晶体管进行锂离子电池充电

序言

随着便携式手持设备(如手机、PDA等)的功能不断增加，加上对较小体积与更长电池寿命的要求，使得锂电池成为许多此类设备的首选供电能源。本文将讨论线性充电技术与相关的离散调节元件，并重点讨论主要离散参数与选择标准。

锂离子电池充电周期

为模拟充电电路中的主要功率损耗，以便选择正确的元件，我们必须了解锂离子(Li-Ion)电池的充电周期。图1 显示了单个锂离子电池的典型充电周期。预充电压阈值(VPRE)、上端电池电极电压阈值(VT)、以及再充电阈值(VRECHG)，取决于锂离子电池的种类及不同的生产商。而预充与上端电压极限的电压差取决于电池的内部化学性质。

如图1 所示，典型充电周期分为预充，快速充电(恒流)，快速充电(恒压)以及充电终止 4 个阶段。单个锂离子电池的典型满充周期为 3 小时。VLPROT和 VHPOT是高低保护电压阈值，适用于具备内部保护电路的电池。

图1 典型锂离子单个电池充电特性图

使用线性充电器对电池充电

线性充电器设计简单，体积较小，并且没有“开关模式转换器”常有的噪音，这些优点使得线性充电器特别适用于小功率、低噪音应用。线性充电器使用外部调节元件，以将电池电压由输入电源降至电池电压，因此功率损耗较大。图2显示具备外部调节元件与反向阻断肖特基二极管的典型线性充电器应用。

图2 典型线性电池充电器应用

调节元件 Q1 可以是 MOSFET 或双极晶体管。MOSFET 需要串联反向阻断肖特基二极管，以阻止电流通过体二极管，由电池流向电源。也可以使用两个 MOSFET，一个作为调节元件，另一个作为反向阻断二极管。但是，作为反向阻断装置的肖特基二极管，其成本较 MOSFET 低。多数 PNP 晶体管可为单室镍镉与镍氢电池提供反向阻断能力，但此能力并未得到确定或保证。锂离子电池(包括 4.2V 单室电池)，一般均需要阻断二极管与标准双极晶体管串联。Zetex 提供多种特定应用晶体管，单室锂离子电池充电所需的反向阻断能力得到充分保证。

线性电池充电器由于充电电压的余量较低(尤其当使用 USB 总线供电的充电器时)，因此需要额外肖特基二极管以实现反向阻断。USB 电源电压可在 4.4V 至 5.25V 之间浮动。

恒流阶段过程中，电池电压增加，晶体管集电极发射极电压降低，直至晶体管接近饱和区且增益开始下降。充电控制器透过传感电阻器检测到这一情况，并透过增加基极驱动加于补偿，由此保持充电电流。因此，晶体管饱和特性对于充电周期此时输送充电电流十分重要，必须低于最低电路电压，同时，应考虑电压与电池电压、传感器电压降以及所使用的任何二极管的正向电压。应明确指出的是，当输入电压较低(如 4.4V)，饱和特性更显重要。

以图2的电路为例，此电路的 USB 端口输入电压为 4.75V(高功率 USB 端口电压范围的下限)，充电电流为 500mA。反向阻断肖特基二极管正向压降为 0.35V。如果晶体管的饱和电压为 0.3V，传感电阻器的电压(VS)则为 4.1V。传感电阻器的电压可进一步下降，电池的电压低于 4.1V 时将不足以充满锂离子电池。当电源电压低至 4.4V(如低功率 USB 端口)，此情况更为严重。

Zetex 的特定应用晶体管具备极低饱和电压，且无需反向阻断二极管即可对单室锂离子电池进行线性充电，因此可保持必要的余量。

图 3 显示典型 USB 总线供电单室锂离子线性电池充电器应用，在此应用中，Zetex 低饱和 ZXTP25020CFF 双极 PNP 晶体管同时具备反向阻断能力。

图3 充电阶段

IC1 驱动能力通常可为 5mA 至 50mA，并可能需要 250mA至1mA的静态电源电流。

功率损耗计算

当电池处于预充电压阈值(VPRE)，充电阶段进入快速充电—恒流阶段，此时将产生最大功率损耗。对于正常工作状态时出现最高功率损耗的情况，其主要功率损耗区及计算范例如下所示。

此应用实例的电池规格为：
电池：单室锂离子 500mAh
如用于便携式手持设备(手机、MP3 播放器等)
电池预充阈值VPRE = 3V
电池上端电压阈值VT = 4.2V
快速充电额定值 1C = 500mA
对于图2中的实例，元件与电源规格为：
最大 USB 电源电压VIN MAX="5".25V
IC1 输入电源电流IIC_SUPPLY (Max) = 1mA
Q1 PNP 晶体管 = ZXTP25020CFF
基极发射极电压VBE = 0.7V
双极 PNP 的 hFE 增益 = 275(通常于25℃，500mA 的集电极电流)
RSENSE = 0.1
Pd(IC) = VIN MAX×IIC_SUPPLY(Max) = 5.25V×1mA=5.25mW
Pd(SENSE)=ICHG2×RSENSE=(0.5A)2×0.1=25mW
Pd(BASE)=VBE×IB= 0.7V×1.8mA=1.27mW
此时， IB="ICHG" / hFE = 0.5A/275=1.8mA (通常于25℃)。
Pd(CE) = ICHG×(VIN-VBAT-VSENSE) =0.5A×(5.25V-3V-0.05V)=1.1W
此时， VSENSE = ICHG×RSENSE=0.5A×0.1=0.05V
Pd(TOTAL)=Pd(IC)+Pd(SENSE) +Pd(BASE)体户+Pd(CE)=1.13W

当电池电压开始增加，功率损耗 Pd(CE)减少，总功率损耗也随之减少。

预充电、快速充电—恒流以及快速充电—恒压阶段开始时，可采用类似计算方法。当选用 PNP 晶体管时，必须采用上述最高功率损耗方案，以满足功率与温度处理的要求。

电源电压与电池电压的差值越大，充电器的效率就越低。

最大允许充电电流取决于 PNP 装置的热处理能力、电路板的热阻抗以及电源电压与电池之间的电压差。功率损耗需与装置上 PCB 铜箔面积的热阻抗相匹配，以将装置与汇接处温度维持于正常工作范围内。

双极 PNP 晶体管选择

为选择适合线性充电器应用的双极元件，必须考虑以下参数：

*集电极—发射极击穿电压。
*工作 ICHG/IB 条件下的低回动电压(饱和电压)。
双极晶体管的低回动电压允许电池透过低余量电源进行充电(即电源与电池电压之间的低差动电压)。
*hFE 增益。
为允许充电器 IC 的较低基极驱动，双极型元件应具备高 hFE 增益。
*反向阻断电压能力。
PNP 晶体管应具备反向阻断能力，以用于单室锂离子线性电池充电器。反向阻断能力使得 USB 电池充电(或相似电源电压范围)可以无视上述的电压余量问题，并且，由于不再需要肖特基二极管，即降低了方案成本，也减少了装置体积。
*双极元件的功率与热处理能力及其封装。

对于便携式设备，晶体管封装体积十分重要，但仍要求具备良好的功率与热处理能力。

线性充电器应用分为：

a) USB 充电
USB 集线器端口可以提供 100mA 至 500mA 的电流，电流的大小取决于集线器是 USB 总线供电型或自供电型。自供电型集线器的每个端口均可提供达至 500mA 的电流，而总线供电型集线器的每个端口仅可提供 100mA 的电流。USB 适应端口的电压馈送，100mA 端口为 4.4V 至 5.25V，500mA 端口为 4.75V 至 5.25V。

透过 USB 端口进行充电的线性电池充电器，必须符合 USB 电压与电流规格。

b) 透过低电压 DC-DC 或 AC-DC 墙上适配器进行充电
线性电池充电器可由供电能力达至 700mA 的低电压 AC-DC 墙上适配器进行供电。墙上适配器的电压范围通常为 4.5V 至 5.5V，最高可达至 7V。当出现高输入电压时，肖特基二极管可用于分担功率损耗，由此允许较大充电电流。

Zetex 提供多种反向阻断肖特基二极管，如温度为 25℃，电流为 500mA 时，典型正向电压降为 0.35V 的 ZHCS1000。

c) 使用高电压充电
对于高达 50mA 的充电电流以及高达 36V 的高电压，线性充电器仍可提供简单、低成本的解决方案。利用汽车电池对手提装置充电的外置线性充电器便是此类应用的实例之一。

由于充电电流取决于 PNP 装置的功率与热处理能力，以及电源电压与电池之间的电压差，高于 50mA 的充电电流可由低于 36V 的电源提供。

对于汽车应用，需要应对负荷突降的附加保护。

结语

从功率损耗分解计算中可看出，在线性电池充电周期的所有阶段中，充电器电路的主要损耗在于调节元件的通电损耗。当锂离子电池处于预充电压阈值，且恒流充电阶段开始，此时的快速充电功率损耗最明显，并将达至极限。调节元件需要考虑的关键参数为功率与热额定值、饱和电压、反向阻断能力以及封装。Zetex 的特定应用低饱和电压双极 PNP 晶体管可提供反向阻断，同时保持必要的充电电压余量，适用于单室锂离子线性充电器应用。