正確選擇與應用好便攜式電子設備中電池技術

如今的便攜式電子設備中電池技術包括電量檢測算法、電池充電算法與電池充電技術等幾個方面。眾所周知，充電式電池化學反應有鎳鎘、鎳氫、鋰離子和鋰聚合物4種程式，作為便攜式電子設備來說，雖然這4種電池程式各有特點，但從能量密度與安全性角度的發(fā)展與實踐可知，鋰離子電池和鋰聚合物電池的優(yōu)勢己成為小型長運行時間的設備的理想之選，比如筆記本電腦以及基于硬盤的PMP等。對便攜式電子設備工程師來說，正確選擇與應用好便攜式電子設備中電池技術至關重要，值此本文將對此作研討，并作應用舉例分析。

1、關于細流充電、快速充電和穩(wěn)定充電的電池充電算法

根據(jù)最終應用的能量需求，一個電池組可能包含最多4個鋰離子或鋰聚合物電池芯，其配置可有多種變化，同時帶有一個主流的電源適配器：直接的適配器、USB接口或汽車充電器。除去電芯數(shù)量、電芯的配置或電源適配器類型上的差別，這些電池組都有同樣的充電特性。因此它們的充電算法也一樣。鋰離子與鋰聚合物電池最好的充電算法可以分為3個階段：細流充電、快速充電和穩(wěn)定充電。

1.1 細流充電

用于對深度放電的電芯進行充電。當電芯電壓在低于大約2.8V時，用一個恒定的0.1C的電流為它充電。

1.2 快速充電

電芯電壓超過細流充電的門檻時，提高充電電流進行快速充電?？焖俪潆婋娏鲬陀?.0C。

1.3 穩(wěn)定電壓

在快速充電過程中，一旦電芯電壓達到4.2V，穩(wěn)定電壓階段就開始了。這時可通過最小充電電流或定時器或這兩者的聯(lián)合來中斷充電。當最小電流低于大約0.07C時，可中斷充電。定時器則要靠一個預設的定時器來觸發(fā)中斷。

高級的電池充電器通常帶有附加的安全功能。比如，如果電芯溫度超出給定窗口，通常是0℃--45℃，充電就會暫停。

除去某些非常低端的設備，現(xiàn)在市面上的鋰離子/鋰聚合物電池充電方案都集成或是帶有外置的元件，以便按照充電特性進行充電，這不光是為了取得更佳充電效果，同時也是為了安全。

1.4 鋰離子/聚合物電池的充電算應用舉例-雙輸入1.2A鋰電池充電器LTC4097

LTC4097可用于交流適配器或USB電源為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電。圖1為雙輸入1.2A鋰電池充電器LTC4097示意圖。它采用恒定電流/恒定電壓算法充電，從交流適配器電源充電時，可編程充 電電流高達1.2A，而用USB電源則可高達1A，同時自動檢測在每個輸入端是否存在電壓。該器件還提供USB限流。應用包括PDA、MP3播放器、數(shù)碼 相機、輕型便攜式醫(yī)療和測試設備以及大彩屏蜂窩電話。其性能特點：無需外部微控制器終止充電；輸入電源自動檢測和選擇；通過電阻從交流適配器輸入充電的可編程充電電流高達1.2A；通過電阻的可編程 USB充電電流高達1A；100%或20% USB充電電流設置；輸入電源存在輸出和NTC偏置（VNTC）引腳具120mA驅(qū)動能力；NTC熱敏電阻輸入（NTC）引腳用于溫度合格的充電；預設置電池浮動電壓具±0.6%的準確度；熱調(diào)節(jié)最大限度地提高充電速率且無過熱風LTC4097可用于交流適配器或USB電源為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電。其采用恒定電流/恒定電壓算法充電，從交流適配器電源充電時，可編程充電電流高達1.2A，而用USB電源則可高達1A，同時自動檢測在每個輸入端是否存在電壓。該器件還提供USB限流。應用包括PDA、MP3播放器、數(shù)碼 相機、輕型便攜式醫(yī)療和測試設備以及大彩屏蜂窩電話。

2、鋰離子/聚合物電池充電方案

鋰離子/聚合物電池的充電方案對于不同數(shù)量的電芯、電芯配置以及電源類型還是不同的。目前主要有3種主要的充電方案：線性，Buck(降壓)開關和SEPIC(升壓與降壓)開關。

2.1 線性方案

當充電器輸入電壓大于全充滿電芯加上充足凈空之后的開路電壓時，最好用線性方案，特別是1.0C快速充電電流不比1A大太多時。比如，MP3播放器通常只有一個電芯，容量從700到1500mAh不等，滿充開路電壓是4.2V。MP3播放機的電源通常是AC/DC適配器或者是USB接口，其輸出是規(guī)則的5V；這時，線性方案的充電器就是最簡單、最有效率的方案。圖2所示為鋰離子/聚合物電池充電方案線性方案，基本結構和線性電壓規(guī)整器一樣。

線性方案的充電器應用例舉-雙輸入Li+充電器及智能電源選擇器MAX8677A MAX8677A是雙輸入USB/AC適配器線性充電器，內(nèi)置Smart Power Selector，用于由可充電單節(jié)Li+電池供電的便攜式設備。該充電器集成了電池和外部電源充電和切換負載所需的全部功率開關，因此無需外部 MOSFET。MAX8677A理想用于便攜式設備，例如智能手機、PDA、便攜式多媒體播放器、GPS導航設備、數(shù)碼相機、以及數(shù)碼攝像機。

MAX8677A可以工作于獨立的USB和AC適配器電源輸入下或兩個輸入中的任意一個輸入下。當連接外部電源時，智能電源選擇器允許系統(tǒng)不連接電池或可以與深度放電電池連接。智能電源選擇器自動將電池切換到系統(tǒng)負載，使用系統(tǒng)未利用的輸入電源部分為電池充電，充分利用有限的USB和適配器輸入電源。所有需要的電流檢測電路，包括集成的功率開關，均集成于片上。DC輸入電流限最高可調(diào)節(jié)至2A，而DC和USB輸入均可支持100mA、500mA和USB掛起模式。充電電流可調(diào)節(jié)至高達1.5A，從而支持 寬范圍的電池容性。MAX8677A的其他特性包括熱調(diào)節(jié)、過壓保護、充電狀態(tài)和故障輸出、電源好監(jiān)視、電池熱敏電阻監(jiān)視、以及充電定時器。MAX8677A采用節(jié)省空間的、熱增強型、4mm×4mm、24引腳的TQFN封裝，規(guī)定工作于擴展級溫度范圍(-40～+85℃)。

2.2 Buck(降壓)開關方案

當1.0C充電的電流大于1A，或者輸入電壓比電芯的全充滿開路電壓高很多時，Buck或者降壓方案就是一個更好的選擇。比如，在基于硬盤的PMP中，通常使用單芯鋰離子電池，全充滿開路電壓是4.2V，容量從1200到2400mAh不等。而現(xiàn)在PMP通常是用汽車套件來充電，它的輸出電壓在9V到16V之間。在輸入電壓和電池電壓之間比較高的電壓差(最小4.8V)會讓線性方案降低效率。這種低效率，加上大于1.2A的1C快速充電電流，會產(chǎn)生嚴重的散熱問題。為避免這種情況，就要采用Buck方案。圖3為鋰離子/聚合物電池Buck充電器方案示意圖，基本結構同Buck(降壓)開關電壓調(diào)節(jié)器完全相同。

2.3 SEPIC(升壓與降壓)開關方案

在某些使用3個甚至4個鋰離子/聚合物電芯串聯(lián)的設備中，充電器的輸入電壓就不總是大于電池電壓。比如，筆記本電腦使用3芯鋰離子電池組，滿充開路電壓是12．6V(4．2V x3)，容量從1800mAh到3600mAh。輸入電源要么是輸出電壓1 6V的AC/DC適配器，要么是汽車套件，輸出電壓在9V到16V之間。很顯然地，線性和Buck方案都不能為這組電池組充電。這就要用上SEPIC方案，它能在輸出電壓高于電池電壓時工作，也能在輸出電壓低于電池時工作。

3、電量檢測算法

許多可攜式產(chǎn)品都利用電壓測量值來估計電池剩馀電量，但是電池電壓與剩馀電量的關系卻會隨著放電率、溫度和電池老化程度而改變，使這種方法的誤差率最高可達50％。市場對使用時間更長的產(chǎn)品需求不斷增強，因此系統(tǒng)設計人員需要更加精確的解決方案。使用電量檢測計吧來測量電池充人或消耗的電量，將能夠在很寬的應用電源級別范圍內(nèi)提供更精確的電池電量估測。

3.1 電量檢測算法應用舉例之一，功能完整的單/雙電池便攜式應用電池組設計

3.11 電量檢測原理

較好的電量檢測計至少要具備電池電壓、電池組溫度和電流、測量方法；一個微處理9a；和一套及業(yè)經(jīng)驗證的電量檢測算法。bq2650x及bq27x00是功能完整的電量檢測計，具有一個測量電壓與溫度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個測量電流與充電感測的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這些電量檢測計還具有一個微處理器，負責執(zhí)行德州儀器的電量檢測算法。這些演算法會補償鋰離子電池的自放電、老化、溫度和放電率等因素。晶片內(nèi)含微處理器為主機系統(tǒng)處理器省下這些計算負擔。