串联负载开关的导通阻抗会影响锂电池的充电时间吗？

Bustop

在锂电池充电的设计中，有时会需要在输入端串联负载开关，用于在输入过压、或者切断充电芯片的输入，减小系统的静态功耗。但是，选择负载开关的时候，除了负载开关的耐压、电流能力、开关切换速率等指标需要考虑，还会考虑充电的时候，回路中串联的开关自身的导通阻抗是否会影响锂电池的充电时间？
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/ \6 O/ U8 d, H; R1 _( N7 p直观来说，充电的电流有部分能量是消耗在了负载开关的导通阻抗上，以热量的形式消耗了部分能量。
! _. S1 |6 k& E* P# m* s: f; j0 M% }可是，我们来仔细思考下，是否真的是这样？
: q/ k) h% J; f/ x1 h3 A5 P( o* T下图(图1)为简化的负载开关和锂电池线性充电器的框图图1

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- z- G) u: K9 n7 ~充电过程分析
在充电过程中，锂电池的电压和容量是呈现非线性曲线的形式。如果直接在A点电池的正极测量电池的充电电压，可以看到如下图2的电压随容量变化的曲线，简单来说，对于某个特定化学材料的锂电池，这个曲线大致类似。横轴容量即为电流对时间的积分。可以将这个曲线转化为电压随时间变化的曲线。
通常充电分为恒流阶段和恒压阶段。在恒流阶段，充电电流保持恒定不变，电芯的电压随容量上升而上升，充电电流由工程师在设计之初根据电池容量和系统的充电时间需求设定好的。
随着电芯电压上升到充电截止电压，通常为4.2V(部分高压锂电池会在4.35V或4.4V)，充电器控制恒定的输出电压，随着锂电池容量逐渐升高，锂电池的电压逐渐抬高，同时锂电池内部的内阻也随之下降。
充电器的输出电流在这个阶段的值符合以下公式：
1、VBAT(DOD)为随放电深度（DOD）变化而变化的锂电池开路电压，这个由电池本身化学特性决定；
3 [$ x6 ]" W+ ?/ G  `5 E+ d2、RBAT(DOD)为随放电深度（DOD）变化而变化的锂电池内部阻抗；3、DOD为Depth of Discharge，放电深度，和SOC（State of Charge）总是荷电状态的和总是为1；4、RTrace为充电器输出端到电池正极的回路阻抗，包括走线和连接器阻抗；5、RFET为锂电池包内部的保护板上的保护MOSFET的导通阻抗，通常包括放电保护MOS和充电保护MOS；6、VTerm为锂电池输出引脚的电压，在进入恒压阶段后，这个值为设定好的4.2V(部分为4.35V或者4.4V)7、IBAT(CV)为恒压阶段的电池电流。
) @7 {$ O5 E- I! B2 X- |( c( L因此，很容易我们可以得到IBAT(CV)(DOD)在恒压阶段的充电电流随时间变化的曲线。示意图如下（图2）。图2那么我们来看看，考虑Linear Charger前端输入串联负载开关后的各个点的电压变化。由于线性充电器的特性，输入电压假设为恒定的5V输入。在负载开关的导通阻抗较小的情况下，线性充电器在恒流阶段的电流会受到前端负载开关的导通阻抗影响么？
0 T" r( e! B7 T5 z  o& A+ i; W很显然并不会。
% U! M/ g# x5 v* {只有当负载开关的导通阻抗特别大的情况下才会导致恒流阶段的充电电流小于设定值。这个极限值计算公式如下：假设一个300mAh的锂电池，恒流模式充电电流设定在100mA,充电截止电压在4.2V，那么如果再充电芯片前串联的负载开关的导通阻抗RLS_ON的值超过了
" N) `, d1 d7 I' F: G; v8 @5 r7 B那么就会出现在恒流阶段提前结束，而进入到充电时间更长的恒压阶段。那这样的话锂电池充满的时间就会被延长很多。
/ I9 m, s7 ]7 P1 `) p$ [, t简单举例，如果RLS_ON=10Ω，大于最大值8Ω。那么从图2可以看到，当锂电池的电压达到4V的时候，由于在负载开关上的压降为电池电压随容量继续上升的话，就无法维持100mA的恒流充电电流，就会在电池电压4V的时候被动的转入到恒压充电阶段。这样的话，充电时间就会被延长。但是如果考虑线性充电器的电流可以无限小的情况，即使存在负载开关的大阻抗压降，电池也是可以被充满的。但是一般线性充电器设定的充电截止电流会在0.01C~0.1C之间。那么现实情况中，也会出现锂电池充不满的情况。

& @" I- a0 J( p2 {: u1 y4 Z7 H  x, i电池充电设计建议
而如果负载开关的导通阻抗小于RLS_ON(max)，那么锂电池的充电时间与过程同没有这个负载开关是一样的。
不会存在区别。只是在充电的过程中，图2中阴影部分消耗的热量被负载开关和线性充电器以不同的比例分摊了而已。实际上对充电效果并不会有任何影响。
/ M5 h; b9 D7 x图2中，如果没有前面的负载开关，S1+S2的能量全部在线性充电器上消耗，而如果是增加了不超过RLS_ON(max)的负载开关，S1和S2的的在充电过程中的能量就会在两者之间分摊。
大家可以放心的在极限值的范围内放心的选择和使用开关。
, l, z; U) i0 U: {1 S4 u; k6 ]( x当然，考虑到回路阻抗和锂电池保护板上的保护MOSFET的阻抗，建议可以在极限值以内留些裕量。
最后，如果是开关型充电器，大家可以思考下前面的保护MOS或者负载开关会不会影响充电时间，有多大的影响。
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, ~1 ]% R1 [5 q3PEAK产品--TPW3223
3PEAK高可靠性的模拟开关--TPW3223，提供了800mA的Latch Up能力，而友商产品仅能达到100mA。TPW3223适用于工业、消费、通信等对可靠性要求高的场合。
TPW3223主要参数：供电电压：1.65V to 5.5V导通电阻：4.5V供电下<0.95欧姆切换时间：<40ns开关漏电流：常温下<2nA导通频率：100MHz封装：10Pin QFN
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3PEAK产品--TPB4056A
7 R/ s$ f2 p0 M+ NTPB4056A是3PEAK的单节锂电池充电芯片，充电电流可达1A可调。同时，TPB4056A可提供4.2V和4.35V不同的充电截至电压版本，充电截至电流外部灵活可调。TPB4056A提供了简单可靠的单节锂电池充电管理方案，简单快速的设计，减少开发时间，适用于各种消费类、可移动电子设备的使用。
' p8 S6 Q0 J* c8 F- k; r+ K+ T) }" HTPB4056A主要参数：最大1A的可调充电电流10%的充电电流精度充电电压精度1%宽电压输入范围，可支持最高26V以上的瞬态电压内置电流和热反馈，智能调节芯片输出功率内置缓启动功能提供4.2V和4.35V两个版本封装：ESOP-8, DFN2x2,DFN3x3,DFN2x3
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