如何降低锂离子线性充电器的功耗

在设计单节锂离子线性充电器时，功耗和散热是需要重点关注的问题。高输入电压和充电电流会增加功率元件的负担，可能导致设备和系统温度过高。本文将结合Maxim的应用笔记967，探讨如何在保持设备和系统温度安全的前提下，最大化充电电流。

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选择合适的直流输入源

低电压输入可以降低功耗。为了给单节锂离子电池充电，我们需要一个输出电压为4.2V±1%或4.1V±1%（取决于电池化学性质）的稳定电源。输入电压需要更高，以覆盖电池正极端子和输入直流源之间的电压降。

输入电压计算公式

输入电压可以用以下公式表示： [Vin = Vsense + Vpmos + Vtrace + 4.2V] 最小输入电压可以描述为： [Vin(min )= Rsense × lcharge + Rds(on) × lcharge + Rtrace × lcharge +( Vthmax (d)+Rd × lch a] 其中，(Vdiode = Vthmax(d) + Rd × Icharge)，(Vthmax(d))是二极管开启阈值电压，(Rd)是二极管串联电阻。

实际数据示例

当充电电流为500mA时，一个示例电路的输入电压计算如下： [Vin = 0.303V(Vdiode ) + 0.060V(Vsense ) + 0.112V(Vpmos ) + 0.000V(Vtrace) + 4.2V = 4.68V]

交流适配器选择

建议使用一个5V±5%的稳压开关模式交流适配器，其最大电流能力应比线性充电器的快速充电电流高200 - 300mA。图2展示了一个使用MAX5021低功耗、电流模式PWM控制器的交流适配器示例。

优化充电电流和功耗

总功耗计算

线性充电器的总功耗可以表示为： [Pdiss = (Vin - Vbatt ) times lcharge]

P - MOSFET功耗计算

P - MOSFET Q1的功耗可以表示为： [Pdiss (Q 1)=Vds(Q 1) × lcharge] [Vds(Q 1)=5 V - VD1 - lcharge × Rcs - Vbatt] 其中，(VD1)是D1的正向电压降，(Rcs)是内部电流感测电阻。

结温限制

P - MOSFET的结温在任何工作条件下都不应超过其最大限制150°C： [T j=T a+R Theta J A × P d i s s(Q 1)]

选择合适的P - MOSFET

表1列出了一些可用于充电器的P - MOSFET产品。在选择时，需要考虑PCB安装条件。我们可以根据系统设计限制，找出最佳的(RΘJA)值。(RΘJA)是结到壳（(RΘJC)）和壳到环境热阻（(RΘCA)）的总和。(RΘJC)由设计保证，而(RΘCA)由用户的电路板设计、散热方法和冷却系统决定。

散热设计

为了设计一个高效的表面贴装PMOS FET散热器，我们应尽可能增加漏极引脚的电路板面积。通过测量(Vd - s (Q1))、(Icharge)和(Tc)来计算(RΘCA)。如果测量的(RΘCA)低于预期，我们可以增加漏极引脚焊盘的表面积或降低充电电流。同时，要确保(Tc)不超过PCB的最大工作温度（取决于PCB材料）。

最大充电电流计算

假设在(Ta = 50^{circ}C)，(Pdiss(Q 1)=800 mW)时，测量的壳温(Tc = 125^{circ}C)，则： [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)，则最大功耗为： [150^{circ} C=50^{circ} C+123.75^{circ} C / W × Pdiss(Q 1)] [Pdiss (Q 1) max = 808 mW] 当(Icharge = 500 mA)，(Vbatt = 3.0 V)，(Rcs = 105 mΩ)，(VD1 = 0.35V)时，最坏情况下(Vds(Q1) max = 1.40 V)，允许的最大充电电流为： [Icharge(max) = Pdiss(Q1)max / Vds(Q1)max = 808mW / 1.60V = 505mA] 当然，随着电池电压的升高，功耗会逐渐降低。

结论

通过优化直流输入源、充电电流和采用适当的散热方法，我们可以为单节锂离子电池设计一个安全可靠的线性充电器。图4展示了使用MAX1898充电器、4.2V、900mA锂离子电池和稳压5V/1A MAX5021交流适配器的实际测试结果。

相关部件

部件名称	描述	免费样品
MAX1898	单节锂离子电池线性充电器	有
MAX5021	隔离电源的电流模式PWM控制器	有

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