高效單節(jié)鋰電池充電解決方案——LTC4061芯片詳解

在當(dāng)今電子設(shè)備日新月異的時(shí)代，鋰電池以其高能量密度、長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)成為眾多便攜式設(shè)備的首選電源。而高效、安全地為鋰電池充電則離不開(kāi)性能卓越的充電芯片。今天，我們就來(lái)深入探討一下凌力爾特（現(xiàn)屬亞德諾半導(dǎo)體）的LTC4061單節(jié)鋰離子電池獨(dú)立線性充電器。

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芯片概述

LTC4061是一款功能全面、靈活性高的單節(jié)鋰離子電池獨(dú)立線性充電器，能夠直接在USB電源規(guī)范下工作。它具備多項(xiàng)先進(jìn)特性，如高達(dá)1A的可編程充電電流、±0.35%精度的預(yù)設(shè)充電電壓、熱敏電阻輸入實(shí)現(xiàn)溫度合格充電、熱調(diào)節(jié)功能防止過(guò)熱、可編程充電電流檢測(cè)與終止、可編程充電終止定時(shí)器等，為鋰電池充電提供了高效、安全、智能的解決方案。

關(guān)鍵特性剖析

充電電流可編程

LTC4061的充電電流可通過(guò)連接到PROG引腳的單個(gè)電阻進(jìn)行編程，最大可達(dá)1A。在恒定電流模式下，PROG引腳電壓穩(wěn)定在1V，通過(guò)簡(jiǎn)單的公式(I{BAT}=frac{V{PROG}}{R_{PROG}} cdot 1000)即可計(jì)算出電池的充電電流，這為不同電池容量和充電需求的設(shè)備設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。

高精度充電電壓

該芯片預(yù)設(shè)的充電電壓精度高達(dá)±0.35%，能夠準(zhǔn)確控制電池的充電終止電壓，有效避免過(guò)充現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

溫度檢測(cè)與熱調(diào)節(jié)

通過(guò)NTC引腳連接熱敏電阻，LTC4061可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度。當(dāng)電池溫度超出安全范圍時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)暫停充電，同時(shí)內(nèi)部定時(shí)器凍結(jié)，CHRG引腳輸出以1.5Hz的頻率脈沖，提示用戶電池溫度異常。此外，內(nèi)部熱反饋回路會(huì)在芯片溫度接近105°C時(shí)自動(dòng)降低充電電流，防止芯片過(guò)熱損壞，確保充電器在各種環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。

智能充電功能

• SmartStart：當(dāng)芯片上電或從關(guān)機(jī)模式喚醒時(shí)，會(huì)自動(dòng)檢測(cè)電池電壓。若電池電壓低于4.1V（約80 - 90%電池容量），則啟動(dòng)完整的充電周期；若高于4.1V，則進(jìn)入待機(jī)模式，避免不必要的充電循環(huán)，延長(zhǎng)電池壽命。
• 自動(dòng)充電功能：在待機(jī)模式下，芯片持續(xù)監(jiān)測(cè)電池電壓。當(dāng)電池電壓降至4.1V以下時(shí)，自動(dòng)重啟充電周期，并將內(nèi)部定時(shí)器重置為預(yù)設(shè)充電時(shí)間的50%（如果使用時(shí)間終止模式），確保電池始終保持滿電狀態(tài)。

  充電狀態(tài)指示

  CHRG引腳作為充電狀態(tài)輸出引腳，具有下拉、1.5Hz或6Hz脈沖以及高阻抗三種狀態(tài)，可直觀反映電池的充電狀態(tài)。此外，通過(guò)不同的脈沖頻率，還能提示電池是否存在故障或溫度異常，方便用戶及時(shí)了解電池情況。

充電模式與終止方式

充電模式

• 涓流充電模式：當(dāng)電池電壓低于2.9V時(shí)，芯片進(jìn)入涓流充電模式，以編程充電電流的1/10為電池充電，將電池電壓提升到安全水平，為后續(xù)的大電流充電做好準(zhǔn)備。
• 恒流充電模式：電池電壓高于2.9V后，芯片切換至恒流充電模式，以預(yù)設(shè)的充電電流為電池快速充電。
• 恒壓充電模式：當(dāng)電池電壓接近最終浮充電壓（4.2V）時(shí)，芯片進(jìn)入恒壓充電模式，充電電流逐漸減小，直至電池充滿。

充電終止方式

LTC4061提供了多種充電終止方式，設(shè)計(jì)師可根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇：

• 時(shí)間終止模式：通過(guò)在TIMER引腳連接電容(C{TIMER})來(lái)設(shè)置充電時(shí)間，公式為(TIME (HOURS) =frac{C{TIMER }}{0.1 mu F} cdot 3 HOURS)。當(dāng)預(yù)設(shè)時(shí)間到達(dá)后，充電周期終止，芯片進(jìn)入待機(jī)模式。后續(xù)的充電周期在預(yù)設(shè)時(shí)間的50%時(shí)終止。
• 電流終止模式：將TIMER引腳接地，并在IDET引腳連接電阻(R{DET})，當(dāng)充電電流降至由(R{DET})設(shè)定的檢測(cè)閾值(I_{DETECT})以下時(shí)，充電周期終止。
• 用戶可選終止模式：將TIMER引腳連接到(V_{CC})，所有內(nèi)部終止功能均被禁用，充電周期將持續(xù)進(jìn)行，直到通過(guò)EN引腳手動(dòng)關(guān)閉充電器。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

穩(wěn)定性考慮

在電池充電器的恒壓模式反饋回路中，只要連接了電池，回路就是穩(wěn)定的。但為了減少無(wú)電池時(shí)的噪聲，建議在BAT引腳連接一個(gè)1μF的電容和一個(gè)1Ω的串聯(lián)電阻到地。在恒流模式下，PROG引腳處于反饋回路中，其阻抗會(huì)影響恒流穩(wěn)定性。在PROG引腳沒(méi)有額外電容時(shí)，高達(dá)10kΩ的編程電阻值都能保證充電器穩(wěn)定工作；但如果該節(jié)點(diǎn)有額外電容，則需要降低最大允許的編程電阻值。

功率耗散計(jì)算

LTC4061在高功率條件下會(huì)自動(dòng)降低充電電流，因此在設(shè)計(jì)電池充電器電路時(shí)，無(wú)需考慮最壞情況下的功率耗散。芯片的功率耗散主要來(lái)自內(nèi)部充電器MOSFET，計(jì)算公式為(P{D}=left(V{C C}-V{B A T}right) cdot I{B A T})。通過(guò)該公式可以估算出熱反饋開(kāi)始保護(hù)芯片時(shí)的環(huán)境溫度(T{A}=105^{circ} C-P{D} cdot theta_{J A})，進(jìn)而根據(jù)不同的環(huán)境溫度調(diào)整充電電流。

熱敏電阻選擇與應(yīng)用

LTC4061的NTC比較器跳變點(diǎn)是為遵循Vishay Dale “R - T Curve 1”的熱敏電阻設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)實(shí)際需求選擇不同阻值的熱敏電阻，并通過(guò)調(diào)整(R{NOM})的值來(lái)移動(dòng)溫度跳變點(diǎn)。同時(shí)，為了擴(kuò)展冷熱跳變點(diǎn)之間的差值，可以在(R{NTC})上串聯(lián)一個(gè)電阻(R_{1})。

熱設(shè)計(jì)考慮

為了在各種條件下都能提供最大充電電流，必須將LTC4061封裝背面的裸露金屬焊盤正確焊接到PCB的接地層。正確焊接到2500 (mm^{2})的雙面1oz銅基板上時(shí)，芯片的熱阻約為40°C/W。若背面焊盤與銅板之間沒(méi)有良好的熱接觸，熱阻將遠(yuǎn)大于40°C/W，從而影響充電電流的輸出。

典型應(yīng)用示例

全功能鋰離子充電器（使用時(shí)間終止）

此應(yīng)用中，通過(guò)合理設(shè)置各引腳的電阻和電容值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單節(jié)鋰離子電池的高效、安全充電。當(dāng)充電電流在恒壓模式下降至設(shè)定值以下時(shí)，CHRG引腳輸出信號(hào)可關(guān)閉LED，提示用戶電池即將充滿。

USB/墻式適配器供電的鋰離子充電器（使用充電電流終止）

該應(yīng)用結(jié)合了USB和墻式適配器兩種電源輸入，通過(guò)P - 溝道MOSFET和肖特基二極管等元件，實(shí)現(xiàn)了電源的自動(dòng)切換和充電電流的調(diào)整，滿足了不同用戶的使用需求。

總結(jié)

LTC4061憑借其豐富的功能、高靈活性和出色的性能，為單節(jié)鋰離子電池充電提供了一站式解決方案。無(wú)論是在便攜式電腦、MP3播放器還是數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備中，都能發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)，確保電池的安全、高效充電。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師只需根據(jù)具體需求合理選擇充電終止方式和設(shè)置相關(guān)參數(shù)，就能輕松實(shí)現(xiàn)高性能的電池充電設(shè)計(jì)。你在使用類似充電芯片時(shí)遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和看法。