使用双极晶体管进行锂离子电池充电

中心论题：

• 线性充电器对锂电池充电原理。
• 充电过程功率损耗计算。
• 三种线性充电器介绍。

• 多种特定应用晶体管充分保证单室锂离子电池充电所需的反向阻断能力。
• Zetex提供多种反向阻断肖特基二极管允许较大充电电流。。
• Zetex的应用低饱和电压双极PNP晶体管提供反向阻断保持必要的充电电压余量。

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是高低保护电压发阈值，适用于具备内部保护电路的电池。

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。

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。

IC1驱动能力通常可为5mA至50mA，并可能需要250μA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Ilc＿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)

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、快速充电一恒流以及快速充电-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：

•集电极一发射极击穿电压。

•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总线供电型或白供电型。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。