AN947ww1.microchip.com/downloads/cn/AppNotes/cn027998.pdfAN947 DS00947A_CN 第2 页 2006 Microchip Technology Inc. 电池的标准电势由电池内部活性物质的类型决定，

2006 Microchip Technology Inc. DS00947A_CN 第1 页

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简介

为当今便携式产品供电使得系统设计人员面临许多挑战。使用电池作为主要供电方式呈上升趋势。因此，系统设计人员身负重任，要设计出缜密的系统以最大限度地发挥电池电量。

每种应用都有其独特性，却都有一个相同的主旨：将电池容量最大化。这一主旨与如何正确保存可充电电池的电量直接相关。尽管没有哪一种方法可理想地用于各种化学属性的电池，但要设计一个恰当而可靠的电池充电系统，理解电池的充电特性以及应用的要求是非常重要的。每种方法都有自己的优缺点，由具体应用（和相应要求）决定最佳方法。

本应用笔记将重点介绍锂离子电池 / 锂聚合物电池的充电原理。它将详细介绍使用Microchip的MCP73841的线性独立解决方案。

电池概述

电池是将其内部的活性物质具有的化学能通过电化氧化还原（氧化还原作用）反应直接转换成电能的设备。这种类型的反应包含通过电回路将电子从一种物质传输到另一种物质的过程。如果是非电化氧化还原反应，如生锈或燃烧，由于电子不经电回路被直接传输，因而仅产生热量。

图 1 给出了电池的放电原理示意图。当电极（电池的正负极）与外部负载相连时，电子从被氧化的阳极流出，通过负载流入阴极。阴极接收电子，阴极物质被还原。电解质中阴离子（负离子）和阳离子（正离子）分别向电

池的正极的负极的流动形成了完整的电回路。根据定义，阴极（氧化极）是接收外部电路电子的电极，在发生电化学反应时被还原。阳极（还原极）是向外部电路释放电子的电极，在发生电化学反应时被氧化。电解质（离子导体）提供了在电池内部阳极和阴极之间传输电荷（如离子）的介质。

图 1：电池放电

当重新为电池充电时，电流方向与上述相反，在阳极发生氧化反应，而在阴极发生还原反应。根据定义，发生氧化反应的电极为阳极，发生还原反应的电极为阴极，此时正电极为阳极，负电极为阴极。请参见图 2。

图 2：电池充电

作者： Scott DearbornMicrochip Technology Inc.

阳极

阴极阴离子流

阳离子流

电解质

– +负载

电子流

阳极

阴极

阴离子流

阳离子流

电解质

– +直流电源

电子流

+–

便携式应用中的电源管理：为锂离子电池 / 锂聚合物电池充电

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电池的标准电势由电池内部活性物质的类型决定，可以由自由能量数据计算得到或通过实验得到。电池的标准电势是由如下标准电极电势计算得到的（氧化电势与还原电势的符号相反）：

比如，在一块镍镉电池中：

理论上电池的容量是由电池内部活性物质的数量决定的。它表示为参与电化学反应的所有电量，由库仑（C）或是安培时（Ah）表示。电池的安培时容量与电池中的活性物质所包含的电量直接相关。理论上， 1 克当量的活性物质可提供 96,487C 或 26.8 Ah 的电量（克当量指的以克表示的活性物质的原子或分子量除以参与化学反应的电子数量所得的值）。当既考虑电压又考虑电子数量时，也可以从能量的角度表征电池容量（瓦特时）。这一理论电量是一个电化学系统可提供的最大电量值。

电化学系统所能提供的最大电量基于使用的活性物质的类型（决定电压）和使用的活性物质的数量（决定安培时容量）。实际上，只能实现理论电池电量的一部分。这是因为实际情况下还需要添加电解质和不参与反应的部分（如外壳、隔膜纸和密封圈等），这些都会增加电池的重量和体积。

图 3：电池的组成部分

组成物质的重量会使电池的理论能量密度减少约 50%，而电池实际所能提供的电量（即使是已在接近最佳情况下放过电后）大概也仅为这一已减小值的50%到75%，因此，在实际放电条件下，电池所能提供的电量仅为活性物质理论能量的 25% 到 35%。

请参见图 4，根据前面的定义，电池的理论电压与满充电池的开路电压相等。当电池连入电回路由电池输出电流时，闭合电路的电势将低于开路电势。这是由于以下2 个因素造成的：

1. 电极具有 “真”阻抗。

2. 电池提供电流的速度取决于化学反应发生的速度。化学反应的发生速度就像是电通路中的“电阻”，可以将电池看作是一个电阻与阴极串连的模型。

标称电压是电池放电过程中的一段“平稳”电压值。对于镍镉和镍氢电池，标称电压为 1.2V。对于锂离子电池，标称电压为 3.6V。终点电压是由系统定义的，终点电压指的是系统不再从电池中获取电流时的电势。放电截止电压是二次安全电势，如果低于该电压，电池将会受到不可恢复的损坏。

阳极（氧化电势） + 阴极（还原电势）标准电势

阴极：

2NiOOH + 2H2O + 2e ---- 2Ni(OH)2 + 2OH- = 0.52V

阳极：

Cd + 2OH- ---- Cd(OH)2 + 2e = -0.81V

标准电势：

0.52 – (-0.81) = 1.33V

外壳、端点和

密封圈等

阴极

集流极

电解

阳极

集流极

阴极物质

阳极

物质

隔膜纸

质


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图 4：电池电压定义

充放电时，充电速率或放电速率通常表示为与电池容量之间的关系。这一速率被称作 C 率（C-rate）。C 率等于充电或放电电流，定义为：

以 C 率为 1 放电的电池会在一个小时内放完其额定电量。例如，如果额定容量为 1000 mAh，放电速率为 1C对应的放电电流为 1000 mA。速率为 C/10 对应放电电流为 100 mA。

通常，制造商指定电池容量为充放电时间为 5 小时，即n = 5。例如，上述电池以恒流 200 mA 放电时，可以工作 5 个小时。理论上讲，该电池以恒流 1000 mA 放电时可提供 1 小时的工作时间。然而实际上，由于放电过程不够高效，电池的工作时间要少于一个小时。

电池类型

电池可分为以下两种主要类型：原电池和蓄电池。表 1给出了原电池和蓄电池的示例。

一次电池（primary cell，也称原电池）会发生不可逆转的化学反应。碳锌电池是最早的一次电池。之后碳经过了净化以增加电量。这种电池称为氯化锌电池，较碳锌电池为大家所熟悉一些。碱性电池是商店出售的常见电池，广泛用于用后更换的应用。钱币型电池即纽扣电池是由金属锂制造的锂电池，由于其化学反应不可逆转，也被归类为一次电池。通常不需要在一次电池内构建智能。它们的可抛弃本性意味着无需充电控制、保护电路或“电量”测试。

通过将与放电电流反向的电流通过电池以使化学反应逆转可对蓄电池重复充电。蓄电池最常见的形式包括密封型铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池，锂离子电池和锂聚合物电池。铅酸电池由于体积大，重量重，通常用于汽车应用或是固定装置中。本文主要讨论锂离子电池。这种电池的出现成为了便携式市场中的主力军。

锂离子电池

锂离子电池是在金属锂中嵌入混合物作为正负极物质的电池。正极材料通常为层状结构的金属氧化物（如钴酸锂（LiCoO2））或是隧道结构的金属氧化物（如锰酸锂（LiMn2O4）），在铝箔制成的集电器上。负极材料通常为石墨，在铜制成的集电器上。

最先上市的锂离子电池（以及目前市场上的大多数锂离子电池）使用锂钴氧化物作为正极。这种材料能提供良好的电气性能，取材容易，具有良好的安全性能并且对于工艺和湿度的变化相对不太敏感。近来，又出现了价格更低（锂锰氧化物）或性能更高的材料，如镍钴酸锂（LiNiXCo1-XO2），使得电池的性能得以提高。第一块锂离子电池使用焦炭作为负极材料。随着品质更优的石墨的出现，这个业中又转而使用石墨作为负极材料，因为石墨具有更高的比容，较长的使用寿命以及较大的速率能力。1990 年以前，镍镉电池始终占据着便携式充电电池市场中的主要地位。后来由于环保问题又开发出了镍氢和锂离子电池。锂是周期表中最轻的金属，它具有最大的电化学势能。

表 1：电池类型

原电池蓄电池

碳锌电池铅酸电池

碱性电池镍镉电池

锂电池镍氢电池

锂离子电池

锂聚合物电池

电压（V）

时间（小时）

开路电压

闭路电压

终点电压

放电截止电压

工作电压

未使用的电量

I M Cn×=

此处：

I = 充放电电流（A）M = C 的倍数或分数C = 额定容量的数值（Ah）n = 声明 C 的时间（以小时为单位）

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锂离子电池最大的优势之一就是相对重量和体积来说它具有较高的能量密度。除此之外，锂离子电池不会像镍电池一样具有“记忆”效应。因此锂离子电池不需要过多的维护。换句话说，它们不需要定期充放电来保持电池容量。在三种主要的便携式充电电池中，锂离子电池的自放电最小。

锂离子电池的缺点是它们相对还处于初期阶段，所以价格昂贵。另外，锂离子电池在不使用时也会损失电量。换句话说，锂离子电池本身会老化。锂离子电池具有相对较大的内阻，从而不能在放电电流较大的应用中使用，如便携式电动工具。这一较高的内阻中包括锂离子电池包所需的附加保护电路的电阻。

为什么锂离子电池组需要保护电路？主要是为了用户安全。对锂离子电池过分充电会导致电池突然、自动而快速地解体。这是锂离子电池的致命弱点。相反，对锂离子电池过度放电会使阳极分解导致铜分流通路的形成，从而导致电池性能永久下降。

所有锂离子电池包，包括单节电池，均使用了保护电路以符合 UL1642 和 IEC 二次锂电池标准。保护电路包括添加与电池电极串联的电路。保护电路由 2 个共漏极或共源极连接的 MOSFET 组成。如果电池由 2 节或更多电池串联组成，通常采用P沟道MOSFET与正极串联。在由单节电池组成的电池组中，通常采用 N 沟道MOSFET与负极串联。这种保护通常作为第二道或最后的防线。电池充电器应当保证在正常工作状态下不会用到该保护措施。

锂离子电池的工作电压范围为 2.8V 到 4.2V。内部安全保护电路设计用以防止工作电压超出上述范围，这主要是为了保护用户的安全。因此，防止过度充电是其主要功能。但是，保护电路通常也会保护欠压和过电流的情况。这些保护的主要目的是维持可靠性，而非安全性。请参见图 5 获得更详细的说明。

图 5：锂离子电池的电压范围

锂离子电池充电算法

那么能量怎样才能正确恢复到锂离子电池中去呢？较好的锂离子化学电池充电算法是采用恒流或受控电流的恒压算法，它可以分为三个阶段：涓流充电，快速（也叫大容量）充电和恒压充电。请参见图 6。

第 1 阶段：涓流充电——涓流充电用于给近乎耗尽的电池充电。当电池电压上升到略低于 2.8V 时，以最大为0.1C 的恒流为电池充电。可选择使用安全定时器，若电池电压在约一个小时的时间内仍未上升到涓流充电的门限值，则终止充电。

第 2 阶段：快速充电——一旦电池电压上升到超过涓流充电的门限值，充电电流就会升高从而进行快速充电。快速充电电流应当小于 1.0C。在线性充电器中，电流通常会随电池电压的上升而呈直线上升，从而使电流流经元件上产生的热量最小。可选择使用安全定时器，若快速充电阶段（快速充电电流为 1C）开始后大约 1.5 小时内没有产生其他终止条件，则终止充电。

第 3 阶段：恒压充电——快速充电结束，当电池电压达到 4.2V 时，启动恒压模式。为了使性能最佳，电压的调节范围应该在±1%以内。建议不要对锂离子电池继续采用涓流充电。通常以下面两种方法之一终止充电：最小充电电流或定时器（或是两者的组合）。最小电流方法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流降到约0.07C 以下时终止充电。第二种方法决定启动恒压充电的时间。充电继续进行 2 个小时之后终止。

采用这种方法为近乎耗尽的电池充电大概需要 165 分钟。

高级充电器具有更多的安全特性。例如，如果电池温度超出了指定范围（通常为 0°C 到 45°C），充电将会暂停。

不稳定区域

不稳定区域

可接受的正常

过度放电区域

5V 阴极分解：

4.3 - 电池组保护电路启动4.35V MOSFET （临时断开）4.2V 充电电压上限

2.0 - 电池组保护电路启动2.5V MOSFET（临时断开）

2.8V 终点电压

0V 阳极溶解：铜分流通路形式

工作范围工作范围

产生氧气和热

性能（永久下降）


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图 6：锂离子电池的充电曲线

锂离子电池充电的注意事项

高性能而快速的充电器需要能对任何电池快速可靠地充电。为了确保提供一种可靠而低成本的解决方案，需要考虑以下系统参数。

输入源

许多应用使用廉价的电源适配器作为输入源，图 7 给出了典型的未稳压的电源适配器的图解。

图 7：未稳压的电源适配器

由于它未经稳压，输出电压很大程度上依赖于交流输入电压以及充电器所能提供的负载电流。

在美国，一个标准的电源插座可提供在 90VRMS 至132 VRMS 之间变化的交流电源电压。假设标称输出电压为 120 VRMS，则容差为 +10% 和 –25%。充电器必须为电池提供不依赖于输入电压的稳定电压。假设输出电容（C）足以使电压波动最小，充电器的输入电压应随着交流电源电压和充电电流成比例变化。

此外，变压器的铁心损耗也会稍微减小输出电压。铁心损耗与涡流和磁滞损耗有关，并且受到铁心面积和导磁性能以及铁心中闭合磁路长度的影响。

未稳压的电源适配器会产生一个输出到充电器的典型直流输出电压，如图 8 所示。

图 8：未稳压的电源适配器的输出电压

通过汽车适配器充电的应用也会遇到类似的问题。如图9所示，虚拟稳压的汽车适配器输出在很大程度上依赖于输入电压和输出电流。在电流小于 20 mA 的轻载条件下，汽车适配器以一种不连续导通模式工作并输出大约8.2V 的稳定电压。占空比取决于输入电压、输出电压、感应系数和负载。当输出超过 20 mA 时，汽车适配器转为连续导通模式工作。此时，输出电压未经稳压。占空比为最大值 50%。这主要取决于定时电容的选择以及MC33063A 的工作。当 Q1 导通时，输出电压大约为开关发射极电压的一半。由于电流检测电阻（Q1）、电感和两个二极管的损耗，输出电压会随负载电流轻微变化。输入电压的变化会使输出电压发生较大变化。标称情况下，当汽车不开动时，输入电压为 12V － 12.5V，当依靠交流发电机供电时输入电压为 14V － 14.5V，这会使输出电压发生 1 伏的变化。

0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.50

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

Time (Hours)

Cel

l Vol

tage

(V)

0

200

400

600

800

1000

1200

Cha

rge

Cur

rent

/ C

apac

ity

(mA

/ m

Ah)

Cell Voltage

Capacity

Charge Current

PTC

交流输入

直流输出

N1 N2

a = (N1 / N2)

C

VO 2 V IN a IO REQ RPTC+( )×−×× 2 VFD×−=

此处：

REQ = 次级绕组的电阻与初级绕组的反射阻抗之和（RP/ a2）

RPTC= PTC电阻，VFD是桥式整流器的正向压降。

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 100 200 300 400 500Output Current (mA)

DC

Out

put V

olta

ge132 VAC Input

120 VAC Input

90 VAC Input

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图 9：虚拟稳压汽车适配器

正是因为如此，在许多应用中都不能直接使用这种适配器。对其稍作更改就可使其输出不受输入电压和输出电流的影响并提供 5V 稳定电压（输出电压在很小程度上仍与输出电流有关，这是因为稳压是在串联在输出上的二极管的阳极上进行的）。只要将定时电容的容量从100 pF 改为 270 pF，将 10.7 kΩ 电阻改为 18 kΩ 电阻就能实现上述更改。

虚拟稳压汽车适配器产生的直流输出电压如图10所示。根据上述方法进行简单更改后即可提高充电系统的效率，并降低电池产生的热量。

图 10：虚拟稳压汽车适配器的输出电压

快速充电电流和精度

选择给定应用充电类型的拓扑关系可由所需的快速充电电流决定。许多大的快速充电电流或多电池应用依赖于开关模式充电解决方案以获得更高的效率并减少热量的产生。

出于体积和成本的考虑，线性解决方案非常适合充电电流为低到中等的快速充电应用。但是，线性解决方案会产生过多的热量。

因此，快速稳定充电电流的容差对于一个线性系统来说尤为重要。如果稳定容差较大，一般就需要增加晶体管和其他元件的值。除此之外，如果快速充电电流很低的话，整个充电周期将会延长。请参见 “设计示例”小节以了解更多有关快速稳定充电电流容差影响的详细信息。

输出稳定电压的准确度

为了达到理想的目标——最大程度地使用电池容量——输出稳定电压的准确度至关重要。输出电压准确度稍有下降就会导致电池容量的大幅度下降。但是，考虑到安全和可靠性，输出电压不能被设置得过高。

图 11 和图 12 所示为输出稳定电压准确度的重要性。

图 11：容量与充电电压的关系曲线

图 12：容量损失与低充电电压的关系曲线

0.27Ω

保险丝

瞬态保护

47 uF

60.4

470Ω

10.7

220 µFx2

直流输出输入

SR

振荡器

* 1.25V参考电压

+-

kΩ

kΩ

参考电压100pF

0.001.002.003.004.005.006.007.008.009.00

0 100 200 300 400 500

Output Current (mA)

DC

Out

put V

olta

ge (V

)

VIN = 14.5V

VIN = 12.0V

VIN = 10.0V

RegulatedVIN = 10.0V - 20.0V

900

920

940

960

980

1000

1020

4.154.164.174.184.194.20Charging Voltage (V)

Cap

acity

(mA

h)

0%1%2%3%4%5%6%7%8%9%

10%

0.0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8% 1.0% 1.2%

Percent Undercharge (%)

Cap

acity

Los

s (%

)


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充电终止方式

一次和二次充电终止方式对于可靠地为各种化学电池充电极其重要。强调这一点怎么都不为过，因为过度充电是锂离子电池的致命弱点。锂离子电池的主要充电终止方式是依靠监视充电电流决定的。当进入到充电周期的恒压充电阶段后，充电电流会自然而然地逐渐减小。当充电电流减小到 0.1C 至 0.07C 率以下时，就认为充电周期结束。

如果要增加一个二次安全控制，可使用一个耗时定时器。如果在指定时间内电池仍未充满，应终止充电。继续充电可能导致电池变热，爆炸或燃烧。

电池温度监测

通常，可为锂离子电池充电的温度范围为 0°C 至 45°C。在超出此温度范围的条件下为电池充电可能导致电池发热。在充电过程中，电池内部压力会升高，导致电池膨胀。温度和气压直接相关。当温度升高时，电池内部的压力会变得过大。这会使电池内部产生机械裂变或压力释放。在超出此温度范围的条件下为电池充电还会降低电池的性能或缩短电池的使用寿命。

通常，在锂离子电池包内部包含有热敏电阻用以准确地测量电池的温度。充电器测量从热敏电阻的一端到电池负极之间的热敏电阻的阻值。当该阻值（亦即温度）超出指定工作范围时禁止充电。

电池放电电流或反向泄漏电流

在许多应用中，在没有输入电源的情况下，充电系统仍然保持与电池的连接。当输入电源不存在时，充电系统应使电池的漏电流最小。泄漏电流的最大值应当低于几微安，理想状态下应低于 1 微安。

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设计示例

下面将介绍一个设计示例，同时提供实际充电周期波形图。

给定的设计参数如下：

选择Microchip的 MCP73841-420I/MS作为首选的充电管理控制器，因为它能满足所有给定的设计参数要求。

器件概述

MCP73841 是一款非常先进的线性充电管理控制器。MCP73841 使用外部晶体管（MOSFET），使得设计具有极高的灵活性和更高的能量（充电）水平。图 13 所示为从充电开始到结束以及自动再充电的操作流程的算法。

满足充电条件和预充电

当插入电池或连接具有外部电源的应用时，MCP73841将自动执行一系列安全检查以确保满足充电条件。输入的源电压必须高于低电压闭锁门限值，使能（Enable）引脚必须高于逻辑高电平，并且电池温度监测器的温度也必须位于最高和最低门限值之间。这些参数将持续被监视，只要有一个参数超出极限，充电就将自动暂停或终止。

一旦符合了所有的限定参数， MCP73841 就将开始充电。在整个充电周期中充电状态输出都被拉为低电平（有关充电状态输出的介绍见表 2）。如果电池电压低于预设的门限值（VPTH），MCP73841 将使用涓流给电池进行预充电。预充电电流被设置为快速充电调节电流的10% 左右。预先进行的涓流充电安全地补充了近乎耗尽的电池的电量，并且在充电初期使外部晶体管上所产生的热量最少。如果电池电压在预设的定时器超时之前仍未达到预设的门限值，就将指示出错并终止充电。

恒流调节——快速充电

当电池电压超过预设定的门限值时，预充电过程结束，开始快速充电。快速充电根据电源电压与 SENSE 引脚（VFCS）的电压（由外部检测电阻 RSENSE 两端的压降产生）之差调节恒定电流（IREG）。快速充电将持续下去，直到电池电压达到稳定电压（VREG）或快速充电定时器超时；在定时器超时的情形下，将指示出错并终止充电。在本设计示例中， VREG 等于 4.2V。

恒压调节

当电池电压达到稳定电压（VREG）时，开始恒压调节。MCP73841 监视 VBAT 引脚的电池电压。该输入引脚直接与电池的正极相连。

充电周期结束和自动再充电

MCP73841 监视恒压调节阶段的充电电流。当充电电流减少到低于调节电流（IREG）的约 7%或耗时定时器超时后认为充电周期结束。

当电池电压下降到再充电门限值（VRTH）以下时，假设满足所有的限定参数，MCP73841 自动开始一个新的充电周期。

充电状态输出

充电状态输出提供充电状态的信息。电流受限的开漏输出可用来点亮外部 LED，表 2 总结了整个充电周内的输出状态。

输入源： 5V， ±5%电池：单节锂离子电池

电池容量： 1000 mAh

快速充电速率： 1C 或 0.5C稳定电压： 4.2V

一次充电停止方式：监视电流

二次充电停止方式： 6 小时的定时器

充电温度： 0°C 至 45°C

表 2：状态输出

充电周期状态 STAT1

验证充电条件熄灭

预充电点亮

恒流快速充电点亮

恒压点亮

充电完成熄灭

安全定时器出错闪烁 *（1Hz，占空比为 50%）

电池温度超标闪烁 *（1Hz，占空比为 50%）

禁止——休眠模式熄灭

未连接电池熄灭

* 闪烁频率（1 Hz）是依据 0.1 µF 的定时器电容得出的。根据定时器电容的值可以改变闪烁频率。

2006 M

icrochip Technology Inc.D

S00947A

_CN

第9页

AN

947

图 13： MCP73841 流程算法

预充电电流充电电流 = IPREG复位安全定时器

是

初始化

否

是

否STAT1 = 熄灭

VBAT > VPTH STAT1 = 点亮

VBAT > VPTH

是

VDD< VUVLO

否

否

安全定时器超时

是温度符合条件

否STAT1 = 闪烁安全定时器暂停充电电流 = 0

出错充电电流 = 0

复位安全定时器

移去电池或 EN 低电平

否STAT1 = 闪烁

恒流充电阶段

充电电流 = IREG复位安全定时器

VBAT = VREG

否

否

是温度符合条件


恒压充电阶段输出电压 = VREG

IOUT < ITERM

是

VBAT < VRTH

过期定时器

是

充电终止充电电流 = 0

复位安全定时器

否STAT1 = 熄灭

是

是

温度符合条件


是

是

VDD < VUVLO

或 EN 为低电平

VBAT < VOVSTOPVDD > VUVLO

否

否

安全定时器

VBAT > VOVSTRT是

是

温度符合条件否

STAT1 = 闪烁

安全定时器暂停

充电电流 = 0

是

是

否

STAT1 = 熄灭

EN 为高电平

安全定时器

VBAT > VOVSTRT

超时

超时

超时

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电路设计

图 14 所示为设计电路。

由于线性充电的效率低，散热设计和成本就成为了最重要的考虑因素，这些因素受到输入电压、输出电流以及外部 P 沟道晶体管和周围空气间的热阻的直接影响。当器件从预充电阶段转入恒流充电阶段时为最差情况。在这种情形下， P 沟道旁路晶体管的功耗最大。必须要在充电电流、成本和充电器的散热要求之间做出权衡。

元件选择

外部元件的选择对于充电系统的完整性和可靠性至关重要。以下讨论旨在指导您进行元件选择。

检测电阻

建议的为锂离子电池充电的快速充电电流为 1C 率，所允许的最大电流为 2C 率。对于本设计示例，1000 mAh的电池包的建议快速充电电流为 1000 mA。以此速率充电，可以在不降低电池包性能或缩短其寿命的情况下使充电周期最短。

电流检测电阻 R1 由以下公式计算：

公式

标准值为 110 mΩ 误差为 1% 的电阻所提供的典型快速充电电流为 1000 mA，最大快速充电电流为 1091 mA。检测电阻在最差情形下的功耗为：

公式

2 个并联的 Panasonic® ERJ-3RQFR22V 220 mΩ，1%， 1/8W 电阻对于该应用来说绰绰有余。

大阻值的检测电阻会降低快速充电电流以及检测电阻和外部晶体管的功耗，但是会延长充电周期。设计时必须对此进行权衡，以在保持所需性能的条件下尽量缩小系统的体积。在本设计示例中，比较了快速充电速率为 1C和 0.5C 的情况。对于充电速率为 0.5C 的情况，应去掉一个并联电阻。

图 14：设计电路

R1VFCSIREG------------=

其中：

IREG 为所需的快速充电电流

PR1 110m Ωd 1091mA2× 131mW= =

VDD

VSS

VBAT

DRV

THERM

EN

SENSE1

2

3

4

10

9

8

7

MCP73841TIMER

5 6

STAT1

+

-

电池组

R1可选反向截止二极管

THREFRT1

RT2

Q12 x 220 mΩ @ 1C 1 X 220 MΩ @ 0.5C

10.5 KΩ

15.0 KΩ

4.7µF 4.7 µF

0.22 µF

适配器稳压电源


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外部旁路晶体管

外部 P 沟道 MOSFET 是由栅源门限电压、输入电压、输出电压和快速充电电流决定的。选定的 P 沟道 MOSFET必须满足温度和电气设计要求。

温度考虑

当输入电压为最大值且器件从预充电阶段转入恒流充电阶段时，外部旁路晶体管的功耗最大。在这种情形下，功耗为：

公式

当以 1C 率充电时，本设计示例中的功耗最大。

公式

使用Fairchild®公司的 NDS8434或 International Rectifier公司的 IRF7404 安装在重量为 2 盎司面积为 1 平方英寸的铜板上，结温约上升到 99°C。这将允许工作环境温度最高为51°C。

通过增加铜焊盘的面积，就可以允许更高的环境温度或使用更低阻值的检测电阻。

此外，还可以使用不同的封装形式以使功耗增加或减少。设计时同样需要进行权衡，以在维持理想性能的条件下最大限度地缩小尺寸。

电气考虑

在设计过程中必须考虑栅源门限电压和外部 P 沟道MOSFET 的 RDSON。

当输入电压最小且快速充电电流调节门限值最大时，将发生控制器所提供的最差 VGS。

最差的 VGS 为：

公式

当输入的电源电压为 5V， ±5% 且最大灌电压为 1.0V时， VGS 最差，为：

公式

在 VGS 最差的情况下，MOSFET 的 RDSON 必须足够低以免影响充电系统的性能。在 VGS 最差时，所允许的最大 RDSON 为：

公式

Fairchild 公司的 NDS8434 和 International Rectifier 公司的 IRF7404 都能满足这些要求。

外部电容

MCP73841 在带或不带电池负载的情况下均可稳定工作。为了保持恒压模式下良好的交流稳定性，建议在VBAT 引脚和 VSS 之间连接一个容抗至少为 4.7 µF 的旁路电容。该电容用于在没有电池负载的情况下提供补偿。此外，电池和互联元件在高频条件下为感性。在恒压模式下，这些成分出现在控制反馈环路中。因此，有必要使用旁路电容对电池包的感应现象进行补偿。

几乎可以使用任何性能优良的输出滤波电容，而与电容的最小有效串联电阻（Effective Series Resistance，ESR）值无关。电容的实际值及其相关的 ESR 取决于正向跨导 gm 和外部旁路晶体管的容抗。通常在输出端连接4.7 µF的陶瓷钽电容或铝电解电容就足以确保稳定地输出最高为 1A 的电流。

PQ1 VDDMAX VPTHMIN VFCS+( )−( ) IREGMAX×=

其中：

VDDMAX 为最大输入电压。

IREGMAX 为最大快速充电电流

VPTHMIN 为最小晶体管门限电压

PQ1 5.25 V 2.85 V 0. 120+( )−( ) 1091mA× 2.48W= =

VGS VDRVMAX VDDMIN VFCSMAX )−(−=

其中：

VDRVMAX 为 VDRV 输出的最大灌电压

VDDMIN 为最小输入电源电压

VFCSMAX 为最大快速充电电流调节门限值

VGS 1. 0 V 4.75 V 120 m V−( )− 3.63 V−= =

RDSONVDDMIN VFCSMAX− VBATMAX−

IREGMAX-----------------------------------------------------------------------------------=

RDSON4.75 V 120 m V− 4.221 V−

1091mA----------------------------------------------------------------- 375 mΩ= =

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反向截止保护

可选的反向截止保护二极管如图 14 所示，它可以保护系统免遭故障或短路输入或是正负极颠倒的电源的破坏。若没有保护二极管，故障或短路输入会通过外部晶体管的体二极管对电池包放电。

如果在设计中要使用反向保护二极管，应当选择一个能在最大环境温度下持续处理快速充电电流的二极管。此外，二极管的反向泄漏电流应尽可能小。本例选择了Panasonic® 公司的 MA2YD100L， 1.5A 15V 的肖特基二极管。当电流为 1A 时其正向压降为 350 mV，该值对于决定旁路晶体管的最大允许 RDSON 很重要。这种二极管的反向泄漏电流很小。当反向电压为 4.0V 时，泄漏电流小于 1 µA。

使能接口

在独立配置中，使能引脚通常与输入电压相连。当 VDD输入端的电压降低到低压闭锁电压（VSTOP）以下时，MCP73841 自动进入低功耗模式，通常将使电池的漏电流降低至 0.23 µA。

充电状态接口

状态输出提供充电状态的信息。电流受限的开漏输出可用来点亮外部 LED。请参见表 2 获取充电周期内状态输出状态的汇总。

电池温度监测

MCP73841 通过将 THERM 输入端和 VSS 之间的电压与比较器的高低门限电压做比较来持续监测温度。通常由负温度系数或正温度系数的 NTC 或 PTC 热敏电阻以及外部分压器产生该电压。温度检测电路具有自己的参考电压，电路根据此参考电压执行按比例比较。因此，它不受输入电压（VDD）波动的影响。当不施加 VDD时，可将温度检测电路从系统中移除，以避免电池包额外放电。

本设计示例指定充电温度为 0°C 至 45°C。电池包内部有一个 25°C 时阻值为 10 kΩ 的 NTC 热敏电阻，其灵敏度指标（β）为 3982。 0°C 时热敏电阻的阻值为33.56 kΩ，45°C 时阻值为 4.52 kΩ。电阻 RT1 和 RT2 的值可通过以下公式计算得出。

对于 NTC 热敏电阻：

经计算得到的 RT1 和 RT2 的值分别为 10.44 kΩ 和15.17 kΩ。标准值 10.5 kΩ 和 15.0 kΩ 提供了一个和理想值相差 1°C 以内的温度范围。

安全定时器

通过在 TIMER 输入引脚和 VSS 之间放置一个定时电容（CTIMER）就可使用 TIMER 输入对安全定时周期进行设置。通过定时电容可以对三个安全定时器进行编程。

预充电的安全定期周期：

公式

快速充电的安全定时周期：

公式

耗时时间的终止周期：

公式

条件检验后，预充电定时器启动，当充电周期从预充电阶段转入快速充电阶段时，预充电定时器复位。一旦MCP73841 从预充电阶段转入下一阶段，就会启动快速充电和耗时定时器。当充电周期转入恒压阶段时，快速充电定时器复位。如果检测电流没有降低至终止门限值以下，耗时定时器将超时并终止充电。

本设计示例指定的充电终止时间为 6 个小时。选择了容抗为标准值 0.22 µF 的陶瓷电容。

RT12 RCOLD RHOT××RCOLD RHOT−

-------------------------------=

RT22 RCOLD RHOT××RCOLD 3 R× HOT−--------------------------------=

其中：

RCOLD 和 RHOT 分别是热敏电阻在所需温度范围两个边界点的电阻值。

tPRECONCTIMER0.1µF------------ 1.0our× s= 小时

tFASTCTIMER0.1µF------------ 1.5Hours×= 小时

tTERMCTIMER0.1µF------------ 3.0Hours×= 小时


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充电周期波形

图 15 所示为使用 MCP73841 在快速充电电流为 1C 和0.5C 时的完整充电周期。使用 0.5C 而非 1C 的速率充电时，执行的步骤完全相同。完成充电大约需要多花一个小时。MCP73841 根据快速充电电流成比例地调整充电终止电流。因此延长了 36% 的充电时间，可使电容量增加 2% 并可以降低功耗。终止电流从 0.07C 变化至0.035C 会使最终电容量从 ~98% 增加到 ~100%。系统设计者必须要在充电时间、功耗和可获得的电容量之间进行权衡。.

总结

使用最新充电技术为当今的便携式产品存储电能需要经过仔细的考虑。理解电池的充电特性和应用的需求对于设计一款恰当可靠的电池充电系统非常重要。

本文档提供了为锂离子电池 / 锂聚合物电池充电的独立线性充电解决方案。开发任何电池充电系统时，均应考虑本文所述的指导方针和考虑事项。

参考资料

1. “Handbook of Batteries, Third Edition”, DavidLinden, Thomas B. Reddy, (New York: McGraw-Hill, Inc., 2002)

2. MCP73841/2/34 Data Sheet, “Advanced Single or Dual Cell Lithium-Ion/Lithium-Polymer Charge Management Controllers”, DS21823, Microchip Technology Inc., 2004

3. ADN008: “Charging Simplified for High-Capacity Batteries”, DS21864, Bonnie Baker,Microchip Technology Inc., 2004

4. Http://www.powercellkorea.com5. Http://sanyo.com/batteries/lithium_ion.cfm6. Http://lgchem.com/en_products/electromaterial/

battery/battery.html

图 15： MCP73841 充电周期波形

MCP73841 Charge Cycles, 1000 mAh Battery

0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.50

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0

Time (minutes)

Volta

ge (V

olts

)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

Cur

rent

(Am

ps)

VBAT @ 1C

VBAT @ 0.5C

IBAT = 1C

IBAT = 0.5C

AN947


注：

2006 Microchip Technology Inc. DS00947A_CN 第 15 页

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