鋰離子電池充電系統(tǒng)的差異與選擇

　　為進(jìn)一步減小線(xiàn)性解決方案的尺寸、降低其成本和復(fù)雜性，許多外部元器件都可以集成到充電管理控制器中。先進(jìn)的封裝可以提供更高的集成度，當(dāng)然也會(huì)犧牲一定的靈活性。此類(lèi)封裝需要先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，許多情況下避免了返工。通常會(huì)集成充電電流檢測(cè)、傳輸晶體管以及反向放電保護(hù)。此外此類(lèi)充電管理控制器還會(huì)實(shí)現(xiàn)一定的熱調(diào)節(jié)功能。熱調(diào)節(jié)功能可根據(jù)器件管芯溫度來(lái)限制充電電流，從而可在保證器件可靠性的情況下優(yōu)化充電周期時(shí)間，熱調(diào)節(jié)功能大大降低了散熱設(shè)計(jì)的工作量。

　　基于Microchip MCP73861的全集成線(xiàn)性解決方案如圖4所示。MCP73861包含了MCP73843的所有功能，另外還包括電流檢測(cè)、傳輸晶體管、反向放電保護(hù)以及電池溫度監(jiān)測(cè)。

　　充電周期波形

　　利用MCP73843在1C和0.5C恒流充電速率下的整個(gè)充電周期如圖5。以0.5C而不是1C速率充電時(shí)，充電結(jié)束的時(shí)間大約晚了一個(gè)小時(shí)。MCP73843在快速充電過(guò)程中會(huì)按充電電流成比例地縮減充電終止電流。結(jié)果是充電時(shí)間延長(zhǎng)36%，好處則是電池容量增加2%，同時(shí)還減少了功率損耗。充電終止電流從0.07C降到0.035C，使得最終電池容量從~98%增長(zhǎng)到~100%。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須在充電時(shí)間、功率損耗和可用電池容量之間進(jìn)行權(quán)衡。

　　開(kāi)關(guān)式充電解決方案

　　輸入電壓波動(dòng)范圍寬或輸入輸出電壓差大的應(yīng)用通常采用開(kāi)關(guān)式充電解決方案。此類(lèi)應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)式解決方案的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可以提高效率，缺點(diǎn)則是系統(tǒng)復(fù)雜、尺寸相對(duì)較大且成本較高。例如應(yīng)用中需要利用汽車(chē)適配器以0.5C或1C的恒定電流對(duì)一個(gè)2200mAh的單節(jié)鋰離子電池充電，由于散熱等問(wèn)題，利用線(xiàn)性解決方案實(shí)現(xiàn)極為困難，當(dāng)然也可以采用支持熱調(diào)節(jié)的線(xiàn)性解決方案，但降低充電電流造成的充電周期延長(zhǎng)是無(wú)法接受的。

　　成功設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)式充電解決方案的第一步是選擇設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：降壓式、升壓式、升/降壓式、反激式、單端初級(jí)電感式（SEPIC）或者其他形式。根據(jù)輸入和輸出要求以及經(jīng)驗(yàn)，可以迅速將適用于該應(yīng)用的選擇范圍縮小為兩種結(jié)構(gòu)：降壓式還是SEPIC式。降壓式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是僅需要一個(gè)電感，而缺點(diǎn)是需要額外的二極管用于反向放電保護(hù)、高端柵極驅(qū)動(dòng)和電流檢測(cè)，以及脈沖式輸入電流（會(huì)導(dǎo)致EMI）。SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是低端柵極驅(qū)動(dòng)和電流檢測(cè)、持續(xù)輸入電流以及輸入和輸出間的直流隔離，其主要缺點(diǎn)是需要兩個(gè)電感和一個(gè)能量傳輸電容。

　　MCP1630是一款可配合單片機(jī)使用的高速脈寬調(diào)制器(PWM)，配合單片機(jī)，MCP1630可控制電源系統(tǒng)占空比，提供輸出電壓或電流穩(wěn)定功能。PIC16F684單片機(jī)可用于輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流，以及開(kāi)關(guān)頻率和最大占空比的調(diào)整。MCP1630產(chǎn)生占空比，并可根據(jù)不同外部輸入提供快速過(guò)流保護(hù)。外部信號(hào)包括輸入振蕩器、參考電壓、反饋電壓和電流檢測(cè)。輸出信號(hào)是一個(gè)方波脈沖。充電器采用的電源結(jié)構(gòu)是SEPIC。單片機(jī)提供了極大的設(shè)計(jì)靈活性。此外單片機(jī)還可以與電池包內(nèi)的電池監(jiān)控器（Microchip的PS700）通信，從而大大縮短充電周期時(shí)間。

　　充電周期波形

　　利用開(kāi)關(guān)式充電解決方案的整個(gè)充電周期如圖6所示。通過(guò)在充電系統(tǒng)中采用電池監(jiān)控器，可以大大縮短充電周期，使用電池監(jiān)控器就不必再檢測(cè)電池包保護(hù)電路兩端的電壓以及充電電流的接觸電阻。

　　結(jié)論

　　在目前的便攜式產(chǎn)品中，要正確地實(shí)現(xiàn)電池充電需要仔細(xì)地設(shè)計(jì)考慮。本文討論了鋰離子電池的線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)式充電解決方案，本文所探討的指導(dǎo)原則和設(shè)計(jì)考慮要素，實(shí)際上也是所有電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要考慮的。