提高便攜式設備鋰離子電池的充電效率

　　功能整合以及不斷縮小的外形尺寸在過去幾年風靡一時，進而帶動手機、PDA、以及便攜式 DVD 播放器等便攜式設備的市場需求大幅增長。然而電源卻很快成為技術進步的瓶頸，電池供電密度的提升腳步也無法跟上需求的節(jié)拍。鋰離子 (Li-ION) 電池無論就重量還是體積而言都有很高的能量密度，因此在市場上應用極為廣泛。為了延長系統(tǒng)運行時間并縮小外形尺寸，越來越多的系統(tǒng)設計人員發(fā)現(xiàn)利用先進的電路拓撲結構來提高系統(tǒng)功率轉換效率的做法已無法解決問題，電池充電已成為擴大電池容量和延長電池使用壽命的另一重要方案。線性充電器的成本合理、外形尺寸小巧，非常適用于低容量電池充電的應用；但隨著便攜式設備對功耗要求的不斷提高，由于線性電池充電器功耗較高，因此已不能充分滿足充電需求。本文將介紹一款 MHz 同步開關電池充電器，并說明有效充電并延長電池使用壽命的設計考慮事項。

　　鋰離子電池的充電

　　圖 1 是業(yè)界最常用的鋰離子電池的充電曲線，大部分專用的鋰離子電池充電集成電路 (IC) 都是通過上述方式進行充電。鋰離子電池的充電過程可分為三個階段：預充電、恒流 (CC) 快速充電、和恒壓 (CV) 終端 (termination) 充電。充電器在預充電階段會以低速率（通常為快速充電速率的1/10）對電池進行充電，這時的電池電壓低于 3.0V。這樣可以實現(xiàn)對鈍化層的恢復（鈍化層在深度放電狀態(tài)下存儲時間過長會分解）。除此之外，當電池過度放電時在陽極短路的電池上會發(fā)生部分銅分解，此時若以 1C 電流進行充電就會導致電池過熱，預充電階段則能避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。等到電池電壓達到 3.0V 后，充電器就會進入恒流快速充電階段。

　　快速充電電流不應超過 1C 速率（0.7℃ 速率）以避免電池過熱及因而造成的加速劣化現(xiàn)象。不過，為高功率容量設計的電池則可承受較高的充電速率。應當合理選擇充電速率，以保證電池溫度在充電結束時不超過 50℃。在進入快速充電階段后，電池會持續(xù)快速充電直到電池達到穩(wěn)壓限制值（每節(jié)電池通常為 4.2V，不過碳陽極鋰離子電池為 4.1V）。然后，在充電電流以指數(shù)方式降低到預定義終端電平時，電池充電器開始調(diào)節(jié)電池電壓并且進入 CV 階段。輸出穩(wěn)壓精度對于電池容量最大化和延長電池使用壽命都很重要。電池穩(wěn)壓精度太差有可能會導致電池充電不足，使得電池容量銳減。例如充電電壓不足 1% 電壓就會導致電池容量減少 8%。另一方面，電池穩(wěn)壓精度太差也可能導致電池過度充電從而縮短電池使用壽命。為了確保鋰離子電池的充電安全，開始充電時的環(huán)境溫度必須在 0℃ 到 45℃ 之間。在更低溫度下進行充電會形成更多金屬鋰，這會導致電池阻抗增加與電池劣化。另一方面，在較高溫度下進行充電則會增加鋰離子與電解液的反應而加速電池劣化。這些問題促使市場需要更精確、更高效、和更安全的便攜式設備電池充電解決方案。