智能充電管理可以克服便攜式設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)

　　便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備的發(fā)展趨勢是性能不斷地提高，功能不斷地增加，同時(shí)要求電池每次充電后的供電時(shí)間越來越長。

　　隨著便攜式電子產(chǎn)品功能的不斷增加，對(duì)電池的容量要求也在不斷提高。鋰離子電池的高電壓、高容量、長壽命和免維護(hù)等特性使之成為各類便攜式電子設(shè)備的理想選擇。除常規(guī)的4.2V充電電壓和1C的充放電速率之外，鋰離子電池中采用的一些新技術(shù)要求不同的充電電壓并提供更高的充電速率。

　　本文將討論有關(guān)鋰離子電池方面的一些潛在發(fā)展趨勢，并介紹便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)師如何利用受微控制器(MCU)控制的脈沖寬度調(diào)制(PWM)或者基于單獨(dú)的集成式電池充電管理控制器的解決方案設(shè)計(jì)靈活的鋰離子電池充電管理系統(tǒng)來克服這些挑戰(zhàn)。

　　采用鋰離子電池的便攜式設(shè)備供電設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　采用鋰離子電池的便攜式設(shè)備供電設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)包括但不限于：供電安全，電池化學(xué)特性，可用空間和所需的性能。便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在決策時(shí)必須傾其所有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來克服每個(gè)可能出現(xiàn)難題。對(duì)于可重復(fù)充電的鋰離子電池來說，還必須考慮充電/放電速率、壽命周期、維護(hù)和充電算法。為了實(shí)現(xiàn)每次充電后電池容量的最大化，充電電壓調(diào)節(jié)精度非常重要。如圖1所示，欠充0.6%的電池會(huì)導(dǎo)致5%的容量損失。但是又不能過充電，因?yàn)檫@是極其危險(xiǎn)的。某些電池生產(chǎn)商，例如日本松下公司，建議將4.2V的電池充電到4.1V，以延長其在電能備份應(yīng)用中的壽命。

                            圖1：鋰離子電池的容量損失與欠充電壓的關(guān)系

　　產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)通常與面市時(shí)間、總體系統(tǒng)成本以及可靠性有關(guān)。其中面市時(shí)間對(duì)絕大多數(shù)消費(fèi)類產(chǎn)品來說是至關(guān)重要的，因?yàn)楫a(chǎn)品的壽命周期很短。在如今快速發(fā)展的世界里對(duì)市場的快速反應(yīng)能力很重要。從概念到形成最終產(chǎn)品的時(shí)間越短，意味著消耗的資源越少，并能通過節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間來降低成本。不過，通過提高集成度來節(jié)省空間的解決方案通常會(huì)比分離元器件解決方案的成本高一些，但也并非都是如此。因此在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)可靠性應(yīng)始終放在首要位置，如果性能可以折中的話。

　　MCU+PWM控制器充電管理系統(tǒng)

　　如果產(chǎn)品開發(fā)中對(duì)靈活度比較側(cè)重，在項(xiàng)目開發(fā)過程中可能作出修改，那么對(duì)于這樣的應(yīng)用來說，采用由MCU控制的PWM控制器電池充電管理系統(tǒng)是非常理想的。

                圖2：典型的基于MCU+PWM控制器的多電池單元多化學(xué)材料的充電管理應(yīng)用電路

　　圖2給出了采用典型的單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多個(gè)電池單元、多種化學(xué)成分的充電管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了MCP1631高壓PWM(零件號(hào)MCP1631HV)和PIC12F683通用MCU。一些先進(jìn)的MCU可以提供更多的GPIO和ADC，從而增加檢測和輸出狀態(tài)。SEPIC采用的是一種開關(guān)型拓?fù)?，因而在輸入和輸出電壓差較大且電流較大時(shí)可以提供更高的效率和更低的功耗。例如，當(dāng)工作在輸入電壓為9V、VBAT為4V、ICHARGE為1A時(shí)，常規(guī)的線性解決方案的功耗是(9V-4V)x1A=5W，然而效率為90%的開關(guān)解決方案在同樣條件下功耗僅為4Wx(0.1/0.9)=.44W。對(duì)1/2瓦進(jìn)行散熱顯然要比對(duì)5瓦進(jìn)行散熱容易得多。下列等式給出了上述例子中線性和開關(guān)電源的計(jì)算方法。

　　圖3就是受MCU控制的PWM控制器采用恒流/恒壓(CC-CV)算法以1A充電速率給單節(jié)1700mA鋰離子電池充電時(shí)的典型充電曲線。算法開始的前提條件是電池電壓是否低于預(yù)處理門限。一旦超過了這個(gè)預(yù)處理門限，系統(tǒng)就進(jìn)入恒流充電階段，直到檢測到穩(wěn)定的電壓。本例中充電結(jié)束值為200毫安。接下來系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)測電池電壓，并在電壓低于再充電門限時(shí)對(duì)電池進(jìn)行放電，從而有效限制充放電循環(huán)的次數(shù)，延長電池的使用壽命，同時(shí)使電壓保持在安全水平。

                   圖3：典型的具有CC/CV算法充電曲線的MCU+PWM控制器

　　用于鋰離子電池充電的獨(dú)立IC充電管理系統(tǒng)

　　設(shè)計(jì)師選用全集成單芯片電池管理系統(tǒng)的主要原因在于其體積小，成本低，并且設(shè)計(jì)時(shí)間/工作量/資源最小。獨(dú)立的鋰離子電池充電IC，特別是用于線性拓?fù)涞腎C，只需要SMD電容器來保持AC穩(wěn)定，并在沒有電池負(fù)載時(shí)提供補(bǔ)償。因此采用集成解決方案所需的PCB空間較小，相關(guān)元器件數(shù)量也最少。圖4是一個(gè)全集成的電池管理控制器作為獨(dú)立的電池充電器使用時(shí)的典型應(yīng)用電路。

                                  圖4：典型的獨(dú)立充電管理控制器應(yīng)用電路

　　由于在IC中置入了充電算法和事務(wù)管理電路，因而不再需要其他固件，可以直接進(jìn)行設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體公司通常會(huì)以詳盡的數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用指南來提供良好的產(chǎn)品支持，幫助設(shè)計(jì)師將電池充電IC植入系統(tǒng)。這樣做不僅加快了產(chǎn)品面市時(shí)間，而且還通過縮短開發(fā)時(shí)間和取消軟件開發(fā)工作而降低了成本。不過，靈活度不夠是這種獨(dú)立的充電管理IC在如今快速變化的電池領(lǐng)域面臨的主要問題。

　　各種方案是如何克服挑戰(zhàn)的？

　　充電電池的額定電壓和充電電壓取決于其化學(xué)材料。電池陽極和陰極所用化學(xué)材料的不同決定了電池電壓和其他相關(guān)特性，例如能量密度、內(nèi)阻等。例如，電池制造商對(duì)鈷和錳鋰離子電池推薦的充電電壓為4.2V，而對(duì)磷酸鹽鋰電的推薦充電電壓為3.6V。雖然磷酸鹽鋰離子電池可以用較高的穩(wěn)定電壓充電以使得每次充電后能有最大的電能，但代價(jià)是電池壽命將縮短。

　　由微控制器管理的系統(tǒng)可以方便地修改電壓穩(wěn)定機(jī)制、預(yù)處理門限電壓、最大的充電電流和其他參數(shù)，而且所有這些功能都無需改變硬件即可實(shí)現(xiàn)。通過適當(dāng)?shù)馗鹿碳鸵恍┎恢匾挠布?，該系統(tǒng)很容易適用于Ni-MH、Ni-Cd密封鉛酸(SLA)以及其他化學(xué)材料的電池。MCU可以使其他系統(tǒng)具備智能化，這對(duì)便攜式設(shè)備是很有益的，例如系統(tǒng)監(jiān)視和提供輸出信號(hào)、認(rèn)證與通信等，從而有效防止最終用戶使用偽劣電池。

　　由于缺乏靈活性，使得集成系統(tǒng)很難競爭過MCU+PWM的充電管理方案。通常IC設(shè)計(jì)公司和半導(dǎo)體制造商通過提供不同的預(yù)置電壓、可選的或者可編程的電流(預(yù)處理電流、充電電流和結(jié)束電流)以及采用外部電阻和電容編程某些參數(shù)來解決這些問題。通常，充電管理IC采用電池制造商所建議的CC-CV充電算法。安全定時(shí)器也是可編程的，或是可選擇的。當(dāng)安全定時(shí)器在充電結(jié)束之前溢出時(shí)，系統(tǒng)會(huì)增加一個(gè)故障標(biāo)志或者關(guān)斷。安全定時(shí)器可用來防止鋰離子電池由于過充電而發(fā)生危險(xiǎn)，并能識(shí)別‘死’電池。例如對(duì)一個(gè)性能良好的鋰離子電池來說，在加上一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷汉?，它?huì)在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入恒流充電狀態(tài)。如果在預(yù)處理期間安全定時(shí)器發(fā)生溢出，電池很可能需要更換了。

                          圖5：全集成獨(dú)立充電器IC的典型充電曲線

　　圖5給出了一個(gè)典型的獨(dú)立線性鋰離子電池充電管理控制器的完整充電過程。所需的總充電時(shí)間將根據(jù)結(jié)束充電選項(xiàng)的不同而不同。在每個(gè)充電過程的開始，如果內(nèi)部功耗過高，熱反饋將調(diào)節(jié)器件的溫度。當(dāng)器件溫度低于最大值時(shí)，恒流模式將恢復(fù)到最大編程值，從而提高充電器的可靠性和安全性。這種作法的代價(jià)是整個(gè)充電周期略有增加。比較圖3和圖5，熱調(diào)節(jié)功能實(shí)際上只是使整個(gè)充電過程延長了大約7分鐘，這在絕大多數(shù)的應(yīng)用中是微不足道的，因?yàn)檎麄€(gè)充電周期約為3小時(shí)。

　　本文小結(jié)

　　全集成的IC可以幫助設(shè)計(jì)師快速且低成本地實(shí)現(xiàn)電池充電功能。但是，這些標(biāo)準(zhǔn)的器件無法滿足所有便攜式器件設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)師的需求。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師通常很難找到能夠滿足所有設(shè)計(jì)要求的電池充電解決方案。電池充電管理控制器IC通常是針對(duì)一般性應(yīng)用設(shè)計(jì)的，而并非針對(duì)特殊應(yīng)用而設(shè)計(jì)。一些制造商試圖提供單芯片多化學(xué)材料的解決方案，但與這些方案有關(guān)的內(nèi)置算法要么太昂貴，要么用戶不友好。對(duì)于高端電池充電管理系統(tǒng)或者電池化學(xué)材料可能隨著產(chǎn)品的改版而改變的設(shè)計(jì)來說，基于MCU+PWM控制器的系統(tǒng)是理想的解決方案。

表1：MCU+PWM控制器與獨(dú)立充電器IC的比較