如何降低鋰離子線性充電器的功耗

在設(shè)計(jì)單節(jié)鋰離子線性充電器時(shí)，功耗和散熱是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。高輸入電壓和充電電流會(huì)增加功率元件的負(fù)擔(dān)，可能導(dǎo)致設(shè)備和系統(tǒng)溫度過高。本文將結(jié)合Maxim的應(yīng)用筆記967，探討如何在保持設(shè)備和系統(tǒng)溫度安全的前提下，最大化充電電流。

文件下載：MAX5021EVKIT.pdf

選擇合適的直流輸入源

低電壓輸入可以降低功耗。為了給單節(jié)鋰離子電池充電，我們需要一個(gè)輸出電壓為4.2V±1%或4.1V±1%（取決于電池化學(xué)性質(zhì)）的穩(wěn)定電源。輸入電壓需要更高，以覆蓋電池正極端子和輸入直流源之間的電壓降。

輸入電壓計(jì)算公式

輸入電壓可以用以下公式表示： [Vin = Vsense + Vpmos + Vtrace + 4.2V] 最小輸入電壓可以描述為： [Vin(min )= Rsense × lcharge + Rds(on) × lcharge + Rtrace × lcharge +( Vthmax (d)+Rd × lch a] 其中，(Vdiode = Vthmax(d) + Rd × Icharge)，(Vthmax(d))是二極管開啟閾值電壓，(Rd)是二極管串聯(lián)電阻。

實(shí)際數(shù)據(jù)示例

當(dāng)充電電流為500mA時(shí)，一個(gè)示例電路的輸入電壓計(jì)算如下： [Vin = 0.303V(Vdiode ) + 0.060V(Vsense ) + 0.112V(Vpmos ) + 0.000V(Vtrace) + 4.2V = 4.68V]

交流適配器選擇

建議使用一個(gè)5V±5%的穩(wěn)壓開關(guān)模式交流適配器，其最大電流能力應(yīng)比線性充電器的快速充電電流高200 - 300mA。圖2展示了一個(gè)使用MAX5021低功耗、電流模式PWM控制器的交流適配器示例。

優(yōu)化充電電流和功耗

總功耗計(jì)算

線性充電器的總功耗可以表示為： [Pdiss = (Vin - Vbatt ) times lcharge]

P - MOSFET功耗計(jì)算

P - MOSFET Q1的功耗可以表示為： [Pdiss (Q 1)=Vds(Q 1) × lcharge] [Vds(Q 1)=5 V - VD1 - lcharge × Rcs - Vbatt] 其中，(VD1)是D1的正向電壓降，(Rcs)是內(nèi)部電流感測(cè)電阻。

結(jié)溫限制

P - MOSFET的結(jié)溫在任何工作條件下都不應(yīng)超過其最大限制150°C： [T j=T a+R Theta J A × P d i s s(Q 1)]

選擇合適的P - MOSFET

表1列出了一些可用于充電器的P - MOSFET產(chǎn)品。在選擇時(shí)，需要考慮PCB安裝條件。我們可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制，找出最佳的(RΘJA)值。(RΘJA)是結(jié)到殼（(RΘJC)）和殼到環(huán)境熱阻（(RΘCA)）的總和。(RΘJC)由設(shè)計(jì)保證，而(RΘCA)由用戶的電路板設(shè)計(jì)、散熱方法和冷卻系統(tǒng)決定。

散熱設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)一個(gè)高效的表面貼裝PMOS FET散熱器，我們應(yīng)盡可能增加漏極引腳的電路板面積。通過測(cè)量(Vd - s (Q1))、(Icharge)和(Tc)來計(jì)算(RΘCA)。如果測(cè)量的(RΘCA)低于預(yù)期，我們可以增加漏極引腳焊盤的表面積或降低充電電流。同時(shí)，要確保(Tc)不超過PCB的最大工作溫度（取決于PCB材料）。

最大充電電流計(jì)算

假設(shè)在(Ta = 50^{circ}C)，(Pdiss(Q 1)=800 mW)時(shí)，測(cè)量的殼溫(Tc = 125^{circ}C)，則： [125^{circ} C=50^{circ} C+R Theta CA × 800 mW] [R Theta CA=left(125^{circ} C - 50^{circ} Cright) / 0.8 W = 93.75^{circ} C / W] 如果(R Theta CA = 93.75^{circ} C / W)，(R Theta CJ = 30^{circ} C / W)（TSOP - 6），(Ta(max ) = 50^{circ} C)，(Tj(max ) = 150^{circ} C)，則最大功耗為： [150^{circ} C=50^{circ} C+123.75^{circ} C / W × Pdiss(Q 1)] [Pdiss (Q 1) max = 808 mW] 當(dāng)(Icharge = 500 mA)，(Vbatt = 3.0 V)，(Rcs = 105 mΩ)，(VD1 = 0.35V)時(shí)，最壞情況下(Vds(Q1) max = 1.40 V)，允許的最大充電電流為： [Icharge(max) = Pdiss(Q1)max / Vds(Q1)max = 808mW / 1.60V = 505mA] 當(dāng)然，隨著電池電壓的升高，功耗會(huì)逐漸降低。

結(jié)論

通過優(yōu)化直流輸入源、充電電流和采用適當(dāng)?shù)纳岱椒?，我們可以為單?jié)鋰離子電池設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠的線性充電器。圖4展示了使用MAX1898充電器、4.2V、900mA鋰離子電池和穩(wěn)壓5V/1A MAX5021交流適配器的實(shí)際測(cè)試結(jié)果。