便攜式應(yīng)用中的充電技術(shù)

摘　要：為了給種類快速增長的便攜式產(chǎn)品供電，目前許多廠家正在開發(fā)具有更寬工作溫度范圍、更高能量密度和更長保存壽命的電池。隨著對電池特性理解的提高，電池的充電技術(shù)也正在持續(xù)發(fā)展。此外，新的應(yīng)用引導(dǎo)著新方法的發(fā)展，創(chuàng)造新的需求。因此，新電池的開發(fā)也要求對充電特性進行改進。而可再充電鋰離子電池在若干方面比其它電池具有優(yōu)勢，使得它們更適合于用作便攜式應(yīng)用的電源。文中對便攜式應(yīng)用中的充電技術(shù)作了較全面地描述，并以一個獨立充電器－LP3946為例，給出了一個可設(shè)定參數(shù)的充電器應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：LP3946；充電器；鋰離子；便攜式應(yīng)用

　　當(dāng)今的便攜式應(yīng)用對電池方面有很多特定的的要求。它們要求高能量密度來提供無限的電源（瞬時的和持續(xù)的）。它們必須重量輕且體積小。電池必須在使用時保證安全，甚至在可能的誤用情況下，還要有無限的保存壽命。另外它們的成本必須盡可能降低。由于鋰離子或鋰聚合物電池滿足這些需求中的大部分，它們已經(jīng)成為當(dāng)前便攜式應(yīng)用的首選電池。

可再充電鋰離子電池的一般特性

　　可再充電鋰離子電池在若干方面比其它電池具有優(yōu)勢，使得它們更適合于用作便攜式應(yīng)用的電源。它們提供了更高的能量密度（可高達200 Wh/kg，300-400 Wh/L）以及更高的電池電壓（帶碳陽極的電池為

　　4.1V，帶石墨陽極的電池為4.2V）。鋰離子電池以棱柱形式提供，還具有更長的充電保持時間或保存壽命以及更長的充電周期。

　　鋰離子電池較高的能量密度加上較高電池電壓的化學(xué)特性使人們能制造出較小且較輕的電池，這類電池對于那些將較輕且較小電源作為關(guān)鍵要求的應(yīng)用而言非常理想。但是，為了有效地利用這種電池的容量和相當(dāng)長的電池壽命，需要極其嚴(yán)格地控制充電參數(shù)。

　　電池壽命的關(guān)鍵是選擇合適的電流、電壓和溫度等充電參數(shù)。在充電期間所施加電壓的精度對于電池的效率和壽命起到非常重要的作用。超過端接電壓會導(dǎo)致過度充電，短期來看是增加了電池的可用能量，但是長期來看將會引起電池失效，并且可能導(dǎo)致安全問題。

　　過度充電的影響是累積性的，如圖1 所示。 每提高1%的充電端電壓，初始容量會提高約5%。這種明顯的短期提高對于電池的充電/放電周期具有嚴(yán)重的后果。過度充電引起的充電周期縮短如圖2 所示。

　?。▓D中英文的翻譯：capacity-容量；Discharge Termination Voltage-放電端電壓；Charge Termination Voltage-充電端電壓）

　?。–harge/Discharge Cycles-充電/放電周期；Charge Termination Voltage-充電端接電壓） 另一方面，充電不足雖然不會引起安全問題，但是會大大降低電池的容量。充電不足對電池容量的影響如圖3所示。

　　（圖中英文的翻譯：Reduction in Pack Capacity-電池容量的降低；Electronic's Total Error-充電總誤差）

　　一般來說給鋰離子電池充電從概念上說是非常簡單的。為了了解鋰離子電池充電的細微之處，圖4給出了普通鋰離子電池的等效電路圖。電池的等效電路特征一般被看作是一個具有極高電容C 及內(nèi)部漏電電阻RLeakage 的電容器。

　　引線與電池本身之間的電阻和電感表述為有效串聯(lián)電阻（ESR）和有效串聯(lián)電感（ESL）。這些參數(shù)是電池機械結(jié)構(gòu)以及特定化學(xué)成分的函數(shù)。與電池相關(guān)的ESR在50到200 mW之間，而ESL在納亨數(shù)量級。我們在文章的后面將會看到，ESR給充電周期內(nèi)的精確電池電壓檢測帶來了特別的難題。

　　對于鋰離子電池可以采用不同的充電方法。最簡單的鋰離子電池充電器通常稱為恒定電壓（CV）充電器（見圖5）。這類充電器由一個電流有限制的恒定電壓源組成，該電壓源連接到電池端子。電流被限制為低于電池容量，并且其輸出電壓被調(diào)節(jié)到電池端接電壓（碳陽極電池為4.1 V，石墨陽極電池為4.2 V）。

　　未充電的電池將會汲取充電電源中可用的所有電流來充電。隨著電池被充電，其兩端的電壓將提高，而充電電流將逐漸降低。當(dāng)充電電流降到低于0.1C 時，就認(rèn)為電池被充分充電了。在充電完成時，充電器必須完全關(guān)閉或者撤除，因為對于鋰離子不推薦涓流充電。為了防止有缺陷的電池?zé)o休止地遭受充電電流，采用了一個備用定時器來終止充電周期。

　　CV 充電是一個相對節(jié)省成本的方法，但是這種方法卻要求很長的電池充電時間。由于在電池充電期間充電電源電壓保持恒定，充電電流降低得很快，因而充電速率也降低得很快。這樣，電池就只是在比其能夠接受的低得多的電流強度下進行充電。

　?。▓D中：30v max. …--最大 30V 直流電源，有電流限制；short for …--對石墨陽極短路，對碳陽極開路；Drive-驅(qū)動器；Power off switch-斷電開關(guān)；(1 or 2 cell) …--（帶 1 或 2 個電池）的鋰離子蓄電池）

　　一個較快的方法是圖6 所示的恒定電流/恒定電壓（CC/CV）充電。在CC/CV 充電器中，充電通過施加一個等于電池電容C 的恒定電流開始。在CC周期中，為了防止過度充電而監(jiān)視了電池組端子的電壓。當(dāng)電壓達到特定的端接電壓時，電路切換為恒定電壓電源工作模式。這時雖然電池組端子電壓達到了端接電壓，但由于ESR 上的壓降，實際上的電池電壓將會低一些。

　　在CC 充電期間，電池可以在接近其端接電壓的情況下以高電流強度進行充電，不會對電池造成過高電壓和過度充電的危險，這期間電池被充電到大約85%的容量。在完成CC周期之后，充電器切換到恒定電壓充電周期。在CV 周期中，監(jiān)視充電電流來確定充電結(jié)束。就像CV充電器一樣，當(dāng)充電電流逐漸下降到低于電池的0.1C 時，充電周期完成。圖7 給出了一個完整的CC/CV充電電路圖。

 　　雖然CC/CV 充電需要復(fù)雜得多的電路來實現(xiàn)，但由于其大大降低了充電時間，因此各種CC/CV 充電方法在鋰離子電池充電中占主導(dǎo)地位。

　　到目前為止，我們一直假定我們使用的電池是良好的電池。實際上并不總是這種情況。被充電的電池可能是有缺陷的，并且可能無法充電。而試圖對有缺陷的電池進行快速充電可能引起危險情況。理想的充電器必須能夠監(jiān)測各種可能的電池故障模式并進行適當(dāng)?shù)某潆姟Ｎ覀優(yōu)榱撕喕脑蚨匾夂雎缘牧硪粋€因素是電池溫度。在其溫度超出特定溫度范圍的情況下，對鋰離子電池進行充電是不安全的。到目前為止，充電器所必須做的就是保持對電壓調(diào)節(jié)的跟蹤（或者在CV/CC 充電器的情況下，保持對電流和電壓的跟蹤）。不過如上所述，伴隨更高充電器效率和更長電池壽命的是潛在的安全問題，這就需要更智能的充電操作。

　　（圖中：low-volt threshold-低壓閾值；Wake up mode-喚醒模式；Constant-current mode-恒定電流模式；constant-voltage mode-恒定電壓模式）

　　為了防止意外地將電池置于不利的條件下，各種鋰離子電池組都包含某些復(fù)雜的電路。一般情況下，保護包括使電池免遭過度放電、過度充電、過高的充電及放電電流以及高電壓。 在電池充電或放電周期內(nèi)，如果任何參數(shù)超過了對于特定電池的限制，電池與電池端子之間的連接將會開路保護。典型情況下，當(dāng)不利的條件被清除或電池被預(yù)置條件時，在延遲一段時間后，裝置將被復(fù)位。除了電子保護措施之外，電池還包含一個機械的二級過流保護裝置。在電池組和電池端子之間串聯(lián)地安裝了一個聚合正向溫度系數(shù)（PPTC）過電流保護裝置。 PPTC 裝置通過響應(yīng)過電流而從低阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)來保護電路。這種變化是裝置溫度急劇升高的結(jié)果，溫度升高是由于裝置中根據(jù)公式I2R 產(chǎn)生的熱量引起的。 一個好的充電器設(shè)計必須能夠安全而高效地確定鋰離子電池對于快速充電的適宜性。下面是一些可用于支持便攜式應(yīng)用的充電器的例子。 獨立充電器（LP3946） LP3946 是一種獨立的單電池鋰離子充電器，具有一個集成的傳輸晶體管和電流感應(yīng)電阻器。除了其充電功能之外，它還可以用于低壓降（LDO）模式。這種功能在制造期間特別有用，因為它無須在產(chǎn)品測試和性能驗證時插入電池。

　?。▓D中：Prequalification …--從條件預(yù)審到快速充電的轉(zhuǎn)換；CC to CV transition-CC 到 CV 轉(zhuǎn)換；battery voltage-電池電壓；battery current-電池電流；charge current-充電電流；end of chargecurrent …--充電結(jié)束電流 0.1C（默認(rèn)）；Time-時間）

LP3946 的工作可以利用圖11 中所示的流程圖很好地說明。

　　充電周期從插入墻面適配器開始。驗證輸入電壓，若其在允許范圍內(nèi)，充電器將啟動電池條件檢驗過程。在這個階段，一個電流源在電池端子上施加50 mA 電流并同時監(jiān)視電壓。如果電池兩端的電壓高于3.0V，說明電池情況良好，則通過施加一個恒定電流開始恒定電流周期。電流幅度是電池容量的函數(shù)，并且依照電池制造商的推薦。典型的充電電流為1C，不過某些電池要求較低的充電電流。

　　可以在差分放大器（Diff-Amp）輸出得到充電電流的模擬表示。差分放大器輸出也表示了LDO 工作模式下的電流。為了防止單電源系統(tǒng)在臨近接地工作時的精度誤差，差分放大器的輸出偏移了0.5V。

　　為了方便使用并減少外部元件數(shù)量，對LP3946 的快速充電電流進行了廠內(nèi)設(shè)定來滿足客戶要求。恒定電流源也可以在廠內(nèi)以50 mA的步幅設(shè)置為從500 mA到950 mA的任意值。其它可廠內(nèi)預(yù)設(shè)置的參數(shù)包括端接電壓4.1 或4.2V以及充電結(jié)束電流0.1C、0.15C或0.2C。

　　在恒定電流周期內(nèi)，對電池電壓進行精密監(jiān)視以避免過度充電。正如早先所描述的，超過電池端接電壓會逐漸縮短電池壽命，并且其影響是累積性的。由于電池ESR兩端的壓降，在CC 充電期間，在電池端子呈現(xiàn)的電壓并非電池電壓的準(zhǔn)確指示。通過在達到端接電壓時終止CC周期，ESR上的壓降提供了一個保證余量，使得電池不會遭受過高的電壓。

　　在CC周期內(nèi)，電池被充電到其容量的大約80-85 %。在CC周期完成后，恒定電壓周期啟動。在這個周期內(nèi)，電池在I Charge = (VBatt - Vcell)/ ESR下進行充電。隨著電池被充電，Vcell升高而充電電流降低。作為充電電流下降的結(jié)果，由ESR 引起的誤差逐漸減小，而電池端子上呈現(xiàn)的電壓更為準(zhǔn)確地表示了實際電池電壓。

　　當(dāng)電流下降到低于預(yù)先設(shè)置的充電結(jié)束（EOC）等級時，充電就終止了。通常推薦的EOC 電流等級為0.1C、0.15C 和0.2C。

　　一旦檢測到EOC，充電周期就完成了。在這個時候，充電器電路被關(guān)閉，而維持周期被啟動。在維持周期內(nèi)，監(jiān)視電池電壓，并且當(dāng)電池電壓下降到低于3.9V 時啟動充電周期（假定檢測到適配器OK 信號）。

　　對于電池被消耗到低于3.0 V 的情況，快速充電被條件預(yù)審周期取代。這主要是出于安全原因，并且防止設(shè)計者快速充電可能有缺陷的電池。在正常操作下，如果電池電壓被消耗到這種級別，內(nèi)部保護電路就會被激活，斷開電池端子與電池組端子之間的連接。如果電池沒有永久損壞，那么施加低強度電流就可以逐漸地升高電池電壓并復(fù)位內(nèi)部保護電路。作為一個備用保護裝置，一個定時計數(shù)器保持對總充電時間的跟蹤。在CC 或CV 周期內(nèi)經(jīng)過5.6 小時之后電池仍未達到端接電壓的情況下，充電就被終止。

　　作為對充電周期的形象表現(xiàn)，用CHG 信號打開一個紅色LED 來表示一個充電周期開始。EOC信號通過打開一個綠色LED 來表示充電完成。只要交流電墻面適配器插在電源上，在維持周期內(nèi)綠色LED就會保持開啟。如果檢測到故障條件，紅色和綠色LED 就會同時開啟。

　　BIPB 輸入引腳是一個多功能引腳。其主要功能是允許LP3946 在沒有電池時作為LDO 工作。LP3946在LDO 模式下的輸出設(shè)置為4.1V。在有電池時，還可以通過電池ID 電阻器把BIPB引腳拉到地，把它用做代替檢測功能的電池。

　　LP3946 是一個獨立充電器的例子，便于使用并包含最少數(shù)目的外部元件。充電周期內(nèi)的用戶干預(yù)實際上被消除了。不過，一些應(yīng)用要求與充電器進行更多的交互。進行交互的主要原因是調(diào)整充電參數(shù)，以便使其與被充電的電池類型一致。這種情況的一個例子就是標(biāo)準(zhǔn)電池與重型電池或者具有較高容量的電池相互交換。可以采用為低容量電池充電設(shè)置的參數(shù)來為高容量電池充電，不過就是需要很長的充電時間。而對于相反的情況，出于安全原因不推薦使用。

LP3945--具有可設(shè)定參數(shù)的充電器

　　LP3945 應(yīng)用電路如圖12 所示。同樣，為了縮小所需的PCB 空間，外部元件的數(shù)目控制到最少。與該器件的通信通過I2C 接口建立。

　　缺省的出廠設(shè)置為500 mA CC電流、4.1V端接電壓和0.1mA EOC電流。這些缺省值在加電期間使用，但是用戶可以把它們設(shè)定為不同的值。CC的可用電流范圍為500 mA到950mA，步幅為50 mA。端接電壓選項為4.1 V和4.2V，而EOC選項為0.1C、0.15C和0.2C。只要電池連接維持在Vbatt 引腳，并且電池電壓高于2.85 V，新設(shè)定的值就會在啟動時被用做缺省值。如果電池斷開或者如果其電壓下降到低于2.85V，出廠缺省值就會被用于后續(xù)充電周期。充電器的操作在圖13所示的流程圖中說明。

　　除了能夠改變電池的工作參數(shù)之外，可以通過I2C 接口讀回EOC 和CHG 寄存器狀態(tài)來檢查充電周期的狀況。

　　LP3945 的特性在具有m 控制器的應(yīng)用中被充分利用。

　　除了充電器、控制器或處理器以及其它功能之外，這些系統(tǒng)的確需要額外的電路來控制傳送到這些功能模塊中的電力。

　　下面的章節(jié)中描述了一個集成了其它電源管理功能的充電器例子。

結(jié)論

　　為了給種類快速增長的便攜式產(chǎn)品供電，正在開發(fā)具有更寬工作溫度范圍、更高能量密度和更長保存壽命的電池。隨著我們對電池特性理解的提高，電池充電技術(shù)正在持續(xù)發(fā)展。此外，新的應(yīng)用引導(dǎo)著新方法的發(fā)展，并創(chuàng)造新的需求。例如，能夠通過PC的USB 接口給電池充電。此處，USB協(xié)議要求任何連接到這種端口的設(shè)備最初必須以低功率模式操作，即最大電流 (current draw) 低于100 mA。充電必須從100 mA電流開始，并且充電器輸入僅為4.5V。一旦主機與設(shè)備的通信建立起來，主機允許高功率操作。這要求某種程度的智能，而這種等級的智能必須在充電器或者使用充電器的系統(tǒng)中的某處來提供。新電池的開發(fā)也要求對充電特性進行改進。