電池快速充電指南——第1部分
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
簡(jiǎn)介
在如今這個(gè)移動(dòng)設(shè)備當(dāng)?shù)赖臅r(shí)代，電池壽命是影響用戶體驗(yàn)的主要因素之一。在設(shè)備內(nèi)部集成省電技術(shù)非常重要，但這只是解決方案的一部分。隨著移動(dòng)設(shè)備的功能不斷增多，其對(duì)電力的要求也不斷提高，原始設(shè)備制造商(OEM)也嘗試大幅提高電池容量，以此延長(zhǎng)電池的使用壽命。
例如，1S2P（1個(gè)電池串聯(lián)，2個(gè)電池并聯(lián)）這類架構(gòu)開(kāi)始風(fēng)行，通過(guò)使用兩個(gè)并聯(lián)電池來(lái)提高總電池容量。提高電池容量帶來(lái)的問(wèn)題就是充電時(shí)間隨之延長(zhǎng)。為了盡可能縮短充電時(shí)間，電池技術(shù)不斷改善，將充電電流從2C增大到3C或6C（也就是說(shuō)，xC是1小時(shí)內(nèi)通過(guò)電池的額定電流的x倍）。例如，2000 mAh電池在不對(duì)電池可靠性產(chǎn)生不利影響的情況下，會(huì)消耗最高12 A充電電流。
對(duì)于高電流需要特別注意，確保安全充電和放電。將電池并聯(lián)使用時(shí)，開(kāi)發(fā)人員還需要考慮電阻和初始容量的不匹配。在本系列文章的第1部分，我們概要介紹在所有類型的設(shè)備中提供電池快速充電功能時(shí)遇到的挑戰(zhàn)，包括消費(fèi)電子、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。
我們還將探討如何為高性能1S2P電池充電，如何在主機(jī)和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高系統(tǒng)的靈活性，盡可能降低功耗，并改善整體用戶體驗(yàn)。
充電器基礎(chǔ)知識(shí)，以及為何電量計(jì)位置分區(qū)非常重要
電池充電系統(tǒng)的關(guān)鍵元件包括充電器本身，以及報(bào)告電池指標(biāo)的電量計(jì)，例如電池的充電狀態(tài)(SOC)、剩余電量使用時(shí)間和電池充滿所需時(shí)間。電量計(jì)可以集成在主機(jī)端，或者集成在電池包中（參見(jiàn)圖1）。
圖1 電池電量計(jì)可以集成在主機(jī)端，或集成在電池包中
成在電池包中時(shí)，電量計(jì)需要使用非易失性存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)電池信息。電源路徑中的MOSFET監(jiān)測(cè)充電/放電電流，保護(hù)電池免于遭受危險(xiǎn)狀況。MAX17330是ADI公司提供的電池電量計(jì)，內(nèi)置保護(hù)電路和電池充電器功能（參見(jiàn)圖2）。
圖2 包含充電MOSFET調(diào)節(jié)功能的電量計(jì)框圖
圖3 高壓/高電流快速充電系統(tǒng)框圖
充電MOSFET可以精細(xì)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)線性充電器，在充電電源限制為5 V，充電電流在500 mA范圍內(nèi)時(shí)，該器件可以獨(dú)立使用。由于鋰電池在99%充電曲線中的充電電壓都超過(guò)3.6V，因此功耗受到限制。
在充電器前面連接降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)節(jié)其輸出電壓，這樣就可使用高壓充電電源和高充電電流（參見(jiàn)圖3）。同時(shí)還可以充分減少壓降，從而降低充電MOSFET的功耗（參見(jiàn)圖4）。
圖4 使用降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，以高效實(shí)現(xiàn)10 A充電電流。圖中所示的是MAX20743降壓轉(zhuǎn)換器，VIN=12 V
在電池包中集成電量計(jì)會(huì)使電池變得智能，能夠用于先進(jìn)充電場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)充電功能。例如，電量計(jì)可在其非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)適合電池包中電池的充電曲線參數(shù)。因此無(wú)需通過(guò)主機(jī)微控制器單元(MCU)充電?，F(xiàn)在，主機(jī)MCU僅需管理來(lái)自電池包的ALRT信號(hào)，根據(jù)收到的警報(bào)類型增大/降低降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
CP：熱限制 → 降低電壓。
CT：MOSFET溫度限制 → 降低電壓。
壓差：→ 增大電壓。
CP是一種標(biāo)志，當(dāng)流經(jīng)保護(hù)MOSFET的電流影響散熱性能時(shí)，該標(biāo)志置位。CT是一種標(biāo)志，在MOSFET溫度過(guò)高時(shí)置位。熱限制和MOSFET限制設(shè)置使用nChgCfg1寄存器組進(jìn)行配置。
可編程降壓轉(zhuǎn)換器（例如MAX20743）使用PMBus?來(lái)精細(xì)調(diào)節(jié)輸出電流。降壓轉(zhuǎn)換器中的集成式MOSFET支持高達(dá)10 A的充電電流。此外，由于PMBus使用I2C作為其物理層，可以使用單個(gè)I2C總線來(lái)管理降壓轉(zhuǎn)換器和電量計(jì)。
以下示例展示一種為單個(gè)3.6 V鋰電池充電的方式。圖5顯示充電系統(tǒng)中電壓和電流的時(shí)域形狀。具體來(lái)說(shuō)，該圖顯示了電池電壓、電池電流和降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
圖5 單個(gè)電池快速給3.6 V鋰電池充電
可以看出，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出(VPCK)設(shè)置為高于電池電壓50 mV。該輸出電壓會(huì)持續(xù)增大，以免造成壓差，且盡可能降低總功耗。
電池安全管理
由于快速充電期間的電流很高，OEM必須要確保安全充電。因此，作為整個(gè)電池管理的一部分，智能快速充電器必須能夠監(jiān)測(cè)多個(gè)重要參數(shù)。例如，在根據(jù)電池制造商規(guī)格和建議監(jiān)測(cè)電池溫度和環(huán)境/室溫的情況下，快速充電器可以確定何時(shí)降低充電電流和/或降低端電極電壓，以確保電池安全，延長(zhǎng)電池的使用壽命。
可以根據(jù)溫度調(diào)節(jié)電壓和電流，以符合六區(qū)JEITA溫度設(shè)置要求（參見(jiàn)圖6），且基于電池電壓進(jìn)行三區(qū)步進(jìn)充電。
圖6 6區(qū)JEITA溫度范圍
使用步進(jìn)充電曲線，根據(jù)電池電壓改變充電電流，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)電池的使用壽命。圖7顯示使用3個(gè)充電電壓和3個(gè)相應(yīng)的充電電流的步進(jìn)充電曲線?？梢酝ㄟ^(guò)狀態(tài)機(jī)來(lái)管理各級(jí)之間的轉(zhuǎn)換（參見(jiàn)圖7）。
圖7 步進(jìn)充電曲線，使用狀態(tài)機(jī)來(lái)管理各級(jí)之間的轉(zhuǎn)換
注意，電流、電壓和溫度都是相互關(guān)聯(lián)的（參見(jiàn)表1和表2）。
并聯(lián)充電
多電池并聯(lián)充電需要額外管理。例如，當(dāng)兩個(gè)電池的電壓相差超過(guò)400 mV時(shí)，充電器必須防止出現(xiàn)交叉充電。只有當(dāng)最低電池電量太低，無(wú)法支持系統(tǒng)負(fù)載時(shí)，才容許在有限的時(shí)間里進(jìn)行交叉充電（參見(jiàn)表3和圖8）。
表1 充電電流，支持步進(jìn)充電和JEITA
溫度 | 太冷 | 冷 | 室溫 | 溫暖 | 熱 | 太熱 |
<0°C | 0°C至10°C | 10°C至40°C | 40°C至45°C | 45°C至55°C | >55°C | |
第2步 | 未充電 | 0.19°C | 0.25°C | 0.22°C | 0.15°C | 未充電 |
第1步 | 未充電 | 0.38°C | 0.5°C | 0.44°C | 0.31°C | 未充電 |
第0步 | 未充電 | 0.75°C | 1°C | 0.88°C | 0.625°C | 未充電 |
表2 充電電壓，支持步進(jìn)充電和JEITA
溫度 | 太冷 | 冷 | 室溫 | 溫暖 | 熱 | 太熱 |
<0°C | 0°C至10°C | 10°C至40°C | 40°C至45°C | 45°C至55°C | >55°C | |
第2步 | 未充電 | 4.14 V | 4.2 V | 4.18 V | 4.16 V | 未充電 |
第1步 | 未充電 | 4.1 V | 4.16 V | 4.14 V | 4.12 V | 未充電 |
第0步 | 未充電 | 4.06 V | 4.12 V | 4.1 V | 4.08 V | 未充電 |
表3 FET邏輯管理
PAREN | BLOCKDIS | ALLOWCHGB | CHG FET | DIS FET |
0 | × | × | 正常 | 正常 |
1 | 0 | 0 | 正常 | 正常 |
1 | 0 | 1（超時(shí)） | 準(zhǔn)備攔截 | 正常 |
1 | 1 | 0 | 正常 | 準(zhǔn)備攔截 |
1 | 1 | 1（超時(shí)） | 準(zhǔn)備攔截 | 正常 |
在本系列文章的第2部分，我們將探討使用評(píng)估套件和樹(shù)莓派板，使用并聯(lián)電池實(shí)現(xiàn)快速充電系統(tǒng)。
圖8 為了防止交叉充電，當(dāng)電池ΔV >400 mV，會(huì)阻止電壓更高的電池放電
結(jié)論
將充電和電量計(jì)功能從主機(jī)端移動(dòng)到電池包一端，可以單獨(dú)控制1S2P配置中的每個(gè)電池。因此不需要由主機(jī)MCU完全管理充電，而是智能充電器本身根據(jù)優(yōu)化充電曲線來(lái)管理其輸出。由于主機(jī)端的管理只是管理電量計(jì)生成的ALRT信號(hào)，所以系統(tǒng)能夠輕松采用不同的電池包。
必要時(shí)，智能充電器還可以阻止充電和放電，以防出現(xiàn)交叉充電。這種方法無(wú)需考慮電池不匹配問(wèn)題，提高了典型快速充電系統(tǒng)的靈活性。借助快速電池充電技術(shù)，除了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和整個(gè)充電流程之外，OEM還可以充分降低功耗，確保廣泛應(yīng)用的充電和放電安全，并改善用戶體驗(yàn)。
關(guān)于作者
Franco Contadini擁有超過(guò)35年的電子行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。在從事電路板和ASIC設(shè)計(jì)工作10年之后，他成為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，為工業(yè)、電信和醫(yī)療客戶提供支持，主要負(fù)責(zé)電源和電池管理、信號(hào)鏈、加密系統(tǒng)和微控制器。Franco撰寫了多篇關(guān)于信號(hào)鏈和電源的應(yīng)用筆記和技術(shù)文章。他在意大利熱那亞ITIS主修電子學(xué)。
Alessandro Leonardi是ADI米蘭分公司的客戶經(jīng)理。他擁有米蘭理工大學(xué)的電子工程學(xué)士和碩士學(xué)位。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用培訓(xùn)生項(xiàng)目。
評(píng)論