介绍

单芯锂离子线性充电器的数据手册很少讨论功耗或如何处理散热。高输入电压和充电电流增加了通过元件必须处理的功率量。本应用说明讨论了如何在保持安全设备和系统温度限制的同时最大化充电电流。

使用合适的直流输入源

低电压输入可降低功耗。为了给单节锂离子电池充电，我们需要一个调节良好的4.2V±1%或4.1V±1%(取决于电池化学成分)输出。输入电压需要提高，以覆盖电池正极与输入直流电源之间的压降。图1显示了典型充电器的这些特性。

图1所示。电压降贡献。

Vin = Vsense + Vpmos + Vtrace + Vdiode + 4.2V

最小输入可以描述如下。

Vin(min) = Rsense × charge + Rds(on) × charge + Rtrace × charge + (Vthmax(d) + Rd × charge) + 4.2V

式中Vdiode = Vthmax(d) + Rd ×电荷，Vthmax(d);二极管导通阈值电压，Rd;二极管串联电阻

正如我们在上面的等式中看到的，如果充电电流(iccharge)增加，充电器需要更高的输入电压。下面是充电电流为500mA时示例电路(图4)的实际数据。

Vin = 0.303V(Vdiode) + 0.060V(Vsense) + 0.112V(Vpmos) + 0.000V(Vtrace) + 4.2V

Vin = 4.68V

肖特基二极管:Zetex ZHCS1000;

PMOS FET: Fairchild FDC636P;

Rsense = 105毫欧，

Rtrace: 40毫米宽，0.5“长，1盎司铜痕迹。该值取决于PCB布局和电池触点。

由于此数据取自一个原型，因此我们还应考虑每个参数的公差。一个5V±5%稳压良好的开关模式交流适配器将提供一些余量，以考虑公差。交流适配器不需要精确的电流限制，因为充电器有电流控制，但交流适配器的最大电流能力必须比线性充电器的快速充电电流高200-300mA。图2显示了一个使用MAX5021低功耗电流型PWM控制器的交流适配器示例。

图2。5V/1A交流适配器。

优化充电电流和功耗

图3显示了用于测试的电路。它是一款线性充电器，充电电流为500mA，定时器限制为6小时。

图3。MAX1898单芯锂+线性充电器。

线性充电器的总功耗可以表示为:

Pdiss = (Vin - Vbatt) ×电荷

为了确定快速充电电流，我们需要计算P-MOSFET Q1的最坏允许功耗。

Q1的功耗表示为:

Pdiss(Q1) = Vds(Q1) ×电荷

Vds(Q1) = 5V - VD1 -电荷× Rcs - vbattery

式中VD1: D1正向压降，Rcs:内部电流感测电阻。

此外，P-MOSFET的结温在任何工作条件下都不应超过其最大极限= 150°C。

Tj = Ta + R西塔JA × Pdiss(Q1)

表1显示了一些可能用于充电器的P-MOSFET产品。尽管规格显示相当高的最大功率耗散，我们应该谨慎的PCB安装条件。对于许多MOSFET器件的封装额定值规定的“在FR-4板上的2z Cu的1英寸焊盘”对于许多应用来说可能不现实。相反，下面的设计过程会产生更实际的结果。

首先，我们应该找出在给定系统设计限制的情况下我们能得到的最佳R西塔JA。R西塔JA是连接对外壳(R西塔JC)和外壳对环境热阻(R西塔CA)的总和，其中外壳热参考定义为漏极引脚的焊料安装面。R西塔JC由设计保证，而R西塔CA由用户的电路板设计，散热方法和冷却系统决定。我们应该尽可能降低R西塔CA。然而，会有一些限制，如有限的电路板空间，不通风，以及对PCB材料的安全要求。由于我们不能直接测量Tj，我们可以用Tc来计算R西塔CA。

Tc = Ta + R西塔CA × Pdiss(Q1)

R西塔CA = (Tc - Ta)/ Pdiss(Q1)

为了设计一个高效的表面贴装PMOS场效应管散热片，我们应该尽可能地增加漏极引脚板面积。然后我们可以测量Vd-s (Q1)，电荷和Tc来计算R西塔CA。如果测量的R西塔CA低于我们的预期，我们应该增加漏极引脚垫的表面积或减小充电电流。此外，我们应该记住，根据PCB材料的不同，Tc不得超过130°C或150°C PCB的最高工作温度。我们应该在开始之前检查我们使用的PCB材料的UL文件编号和它们的最高工作温度。假设我们使用的是最高130°C的FR-4两层板。

如果测量壳体温度Tc为125℃，Ta = 50℃，Pdiss(Q1) = 800mW，

125℃= 50℃+ R西塔CAx800mW

R西塔ca =(125℃- 50℃)/ 0.8w

= 93.75°C / W

如果R西塔CA = 93.75°C/W, R西塔CJ = 30°C/W (TSOP-6)， Ta(max)= 50°C, Tj(max) = 150°C，则我们可以实现的最大功耗;

150°C = 50°C + 123.75°C/W × Pdiss(Q1)

Pdiss(Q1)max = 808mW

当初始vbattery = 3.0V, Rcs = 105毫欧，充电500mA时VD1 = 0.35V，最坏情况下Vds(Q1) max为;

Vds(Q1)max = 5V - VD1 - charge × Rcs - vbattery = 1.40V

允许的最大充电电流为:

充电(最大)= Poises(Q1)max/Vds(Q1)max

= 808 mw / 1.60 v

马= 505

当然，功耗会随着电池电压的升高而逐渐下降。

结论

通过优化直流输入源、充电电流、合理散热，为单节锂离子电池提供安全可靠的线性充电器。图4显示了使用带有4.2V, 900mA Li+电池和稳压5V/1A MAX5021交流适配器的MAX1898充电器的实际测试结果。