充電技術(shù):停不下“充電”的步伐

　　電是20世紀(jì)影響人類文明進(jìn)程中極為重要的一個(gè)發(fā)現(xiàn)，從早期的電線輸電供電，到后來電池的出現(xiàn)，人類社會(huì)進(jìn)入一個(gè)全新的文明階段。充電電池的出現(xiàn)，則讓電池改變世界的進(jìn)程再次深化。

　　可反復(fù)使用的充電電池，不僅應(yīng)用更便捷，長期使用成本更低廉，使用的時(shí)間更為長久，從節(jié)能環(huán)保的角度也遠(yuǎn)比普通電池更有優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，未來5年內(nèi)，可充電電池在供電電池市場所占的比例將從現(xiàn)在的45%提升到70%以上，2011年生產(chǎn)95%的電池供電電子設(shè)備采用充電電池供電，到2010年僅移動(dòng)電話充電適配器就超過12.5億個(gè)?？梢哉f，充電技術(shù)幾乎伴隨著電池供電系統(tǒng)滲透到我們生活中的每個(gè)角落，你能想象自己處于一個(gè)無法充電世界中的生活嗎?

　　充電技術(shù)趨勢

　　充電技術(shù)包括電池充電、電容充電和電氣充電，本文重點(diǎn)討論電池充電。電池充電是給蓄電池、可充電電池等設(shè)備補(bǔ)充電量的過程，其原理是讓直流電從放電相反的方向通過，以使電池中活性物質(zhì)恢復(fù)作用。

　　典型的充電系統(tǒng)主要包括幾個(gè)部分，交流到直流的AC-DC轉(zhuǎn)換，直流電壓適配器的DC-DC轉(zhuǎn)換，數(shù)字電源管理單元，以及電源監(jiān)控部分和充電保護(hù)部分。由于現(xiàn)階段充電系統(tǒng)和充電電池在不同應(yīng)用中的尺寸大小、電壓和功率、充電時(shí)間及充電環(huán)境千差萬別，所以充電系統(tǒng)的實(shí)際組成也相去甚遠(yuǎn)。比如汽車內(nèi)的蓄電池充電與現(xiàn)在的電動(dòng)車電池充電就是完全不同的兩個(gè)系統(tǒng)，而最常用的鋰離子電池充電系統(tǒng)多集中在消費(fèi)電子應(yīng)用，尺寸和效率的要求同樣重要?！　?/p>

 

　　充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是對其系統(tǒng)的技術(shù)要求日益苛刻，迫使充電系統(tǒng)不得不隨時(shí)自我完善。在為一塊塊電池充電的同時(shí)，借助半導(dǎo)體廠商與系統(tǒng)廠商的研發(fā)，充電系統(tǒng)也在不斷地自我“充電”。對充電系統(tǒng)的技術(shù)要求包括：系統(tǒng)小型化、速度與效率提升、空載待機(jī)功耗低、充電傳輸損耗小、通用性、安全性與充電可監(jiān)控等。

　　隨著儲(chǔ)能產(chǎn)品的多樣發(fā)展，目前充電系統(tǒng)技術(shù)的主要要求涉及到系統(tǒng)安全、轉(zhuǎn)換能效、高度集成以及使用便利等方面。例如，多串電池應(yīng)用需求的發(fā)展，便攜式移動(dòng)設(shè)備充電接口的統(tǒng)一，以及無線充電技術(shù)的完善等目前較為關(guān)注的市場和技術(shù)領(lǐng)域都涉及到這些。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，對充電系統(tǒng)的要求也有所不同。例如在便攜式應(yīng)用中，隨著便攜式產(chǎn)品用電需求的增長，大容量的鋰離子電池越來越多地應(yīng)用于各種便攜式設(shè)備，充電技術(shù)發(fā)展的要求是加快充電速度，減小充電方案的體積;而對于大功率的儲(chǔ)能設(shè)備或者是汽車等應(yīng)用場合，由于使用了超大容量電池，并且隨著業(yè)界對于節(jié)能環(huán)保的要求，鋰離子電池正在取代傳統(tǒng)的鉛酸電池成為主力，由于鋰離子電池充電安全性的問題比較突出，因此在這一領(lǐng)域，更注重的是如何如何在加快充電速度的基礎(chǔ)上保證充電系統(tǒng)和電池的可靠性。根據(jù)這些要求，目前充電系統(tǒng)新的技術(shù)開發(fā)主要集中在開關(guān)充電，無線充電以及電池均衡等技術(shù)。而這些技術(shù)中，各自涉及到不少的半導(dǎo)體器件，如充電器端的離線開關(guān)電源控制器，功率半導(dǎo)體器件，充放電管理芯片、電池監(jiān)測芯片、功率開關(guān)管，電池端的開關(guān)充電芯片，電池的均衡保護(hù)前端器件，完成保護(hù)均衡算法的MCU，有時(shí)涉及穩(wěn)壓保護(hù)等半導(dǎo)體產(chǎn)品。意法半導(dǎo)體擁有完整的充電半導(dǎo)體解決方案，包括：微控制器，柵極驅(qū)動(dòng)器，電源管理IC，功率器件(二極管、IGBT、功率MOSFET、電源模塊)，運(yùn)算放大器、PLM，電能表IC，傳感器等。

　　提升充電效率與通用性

　　提升充電效率和縮短充電時(shí)間一直是半導(dǎo)體廠商在電池充電領(lǐng)域所致力改進(jìn)的方向。對于便攜式應(yīng)用，主要是使用更高效率的新工藝開關(guān)充電器芯片來達(dá)到這個(gè)高效率和大電流以縮短充電時(shí)間;而對于像電動(dòng)汽車這種大功率的場合，Intersil資深應(yīng)用工程師李林談及該公司所致力的方向，主要是研究更先進(jìn)的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制芯片來提高充電轉(zhuǎn)換器的效率，包括正在考慮中的無線充電解決方案。而對于后端系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠商，還可以在接插件方面來下功夫，以減小充電器與電池系統(tǒng)之間的阻抗，提升充電電流來縮短充電時(shí)間。

　　在充電系統(tǒng)中，電源監(jiān)控，數(shù)字電源管理和AC-DC轉(zhuǎn)換三個(gè)部分在充電技術(shù)系統(tǒng)中都占有重要地位。AC-DC電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的好壞，直接影響充電的效率和可靠性。特別是對中大功率的充電應(yīng)用場合，使用新技術(shù)可以做出效率更高，功率密度更大的產(chǎn)品，從而降低系統(tǒng)的開發(fā)和使用成本，給用戶帶來好處。李林認(rèn)為這部分是最有改進(jìn)可能的一部分，恰好這也是Intersil最關(guān)注的一部分。意法半導(dǎo)體也認(rèn)為AC-DC是提升效率最主要的環(huán)節(jié)，解決方法還包括引進(jìn)新的半導(dǎo)體材料，如SiC和GaN，隔離的柵極驅(qū)動(dòng)器也會(huì)導(dǎo)致更高的效率和系統(tǒng)集成。

　　TE Connectivity電路保護(hù)部應(yīng)用工程經(jīng)理郭濤指出，TE電路保護(hù)部致力于各類電路保護(hù)器件和提供電路保護(hù)方案。提升充電效率主要是提高充電電路的能量利用效率，在滿足充電電路正常工作的前提下盡可能采用低功耗設(shè)計(jì)。充電時(shí)間主要與鋰電池技術(shù)和充電方案有關(guān)。在現(xiàn)有鋰電池技術(shù)基礎(chǔ)上，縮短充電時(shí)間主要采取提高充電電流(最大不超過1C)，和減小涓流充電時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。

　　TI電源管理產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理 程文濤特別提到，手機(jī)及適配器制造商滿足最新的要求是，歐盟委員會(huì)整合性產(chǎn)品政策 (EC IPP) 規(guī)定的30mW 以下 5 星級(jí)空載功耗標(biāo)準(zhǔn)要求。TI為此推出高效率 UCC28700 反激控制器，其優(yōu)勢包括原邊調(diào)節(jié)、恒壓恒流，非常寬的VDD輸入電壓范圍，支持很高的開關(guān)頻率，無需光耦反饋電路，寬 VDD 輸入電壓及遲滯范圍，與低 IDD 待機(jī)電流支持更小的VDD電容器，而且無需其它外部電路。另一方面，某些手機(jī)與平板電腦的 5W 和 10W 充電器只支持某一品牌的設(shè)備，給當(dāng)前移動(dòng)用戶帶來很大困擾。消費(fèi)者購買新移動(dòng)設(shè)備就需要新的充電器，增加家中適配器的數(shù)量，最終產(chǎn)生更多的電子垃圾。TI TPS2511 智能 USB 充電控制器符合 USB 電池充電規(guī)范 1.2 版要求，可為系統(tǒng)提供更多充電算法。該產(chǎn)品將電流限制 USB 電源開關(guān)與 USB 專用充電端口識(shí)別電路相整合，可自動(dòng)檢測 USB 2.0 及 3.0 數(shù)據(jù)線路電壓，并提供正確的電氣特征，安全地為符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備充電?！　?/p>