如何選擇鋰離子電池充電管理IC

鋰離子（Li-ion）電池之父John B.Goodenough因其開拓性工作于2019年獲得諾貝爾化學(xué)獎，從而成為年齡最大的諾貝爾獎獲得者。如今，鋰離子電池已被用于人們生活的各個方面，它們讓電子設(shè)備變得更加輕巧耐用。例如，大多數(shù)手機都依靠鋰離子電池實現(xiàn)長時間運行、便攜性和方便的充電。

因此，有效地對鋰離子電池充電以實現(xiàn)最大使用率，這一點非常重要。

首先，讓我們分析一下鋰離子電池的充電過程。其充電過程可分為四個不同的階段：涓流電流充電、預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電。圖1顯示了典型鋰離子電池的充電曲線。

圖1：鋰離子電池充電曲線

看起來似乎很簡單，實際上在選擇電池充電解決方案時需要考慮很多參數(shù)。圖2顯示了選擇方案時的四個主要注意事項。

圖2：電池充電器設(shè)計–關(guān)鍵注意事項

下面將詳細介紹這些注意事項：

電池充電器系統(tǒng)設(shè)計人員必須根據(jù)輸入電壓范圍、電池配置、充電電流和其他系統(tǒng)級優(yōu)先級來選擇拓撲（參見圖3）。

圖3：電池充電器拓撲

例如，大多數(shù)便攜式設(shè)備都通過USB端口充電。USB有兩種主要類型：

• USB Type-A: 通常5V@1.5A最大，但可以支持快速充電和其他標(biāo)準(zhǔn)高達12V；

• USB Type-C: 5V@3A最大，但如果支持USB-PD，這可以增加到20V@5A

如果設(shè)備通過USB端口充電，則必須始終支持5V工作電壓。舉例來說，對于串聯(lián)電池（最大VBATT≥8.4V），請使用升壓或降壓-升壓拓撲。如果設(shè)備不是通過USB端口充電，則建議采用降壓拓撲，因為輸入電壓始終超過電池電壓。

電池管理IC的主要挑戰(zhàn)是具有多個控制環(huán)路。他們不僅要管理輸入電壓和電流，還必須管理系統(tǒng)功率、電池充電電流和電壓、電池溫度以及其他參數(shù)（參見圖4）。例如，系統(tǒng)經(jīng)常需要根據(jù)電池溫度來調(diào)節(jié)電池充電電流。

圖4：電池充電器IC中的各種控制環(huán)路

電源路徑管理控制環(huán)路根據(jù)輸入源的電流能力和系統(tǒng)負載的電流要求動態(tài)調(diào)整電池充電電流。這樣可確保系統(tǒng)在使用過量電荷為電池充電時接收到所需的電流。

圖5：電池充電器系統(tǒng)架構(gòu)

電池充電器根據(jù)其特性分為三種典型的架構(gòu)。

第一種為電源直供，架構(gòu)將電池直接連接到系統(tǒng)電源，它要求電池電壓達到最小系統(tǒng)電壓才能工作。

第二種稱為旁路模式，它采用外部開關(guān)來管理電池充電和系統(tǒng)路徑。

第三種架構(gòu)為NVDC電源路徑管理。與前兩種架構(gòu)相比，它具有以下優(yōu)點，因此更常用：

• 最小系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)使用低壓電池可瞬間啟動

• 系統(tǒng)始終跟隨電池電壓，以減小系統(tǒng)各部件的電壓應(yīng)力。

• 當(dāng)輸入功率有限時，電池可以作為系統(tǒng)的補充。

• 系統(tǒng)可以從電池斷開，以支持運輸模式

圖6顯示了NVDC充電器的充電曲線。

圖6：帶NVDC功能的鋰離子電池充電曲線

當(dāng)電池電壓相對較低時，系統(tǒng)電壓被調(diào)節(jié)至最低工作點（圖6中的VSYS_REG_MIN）。當(dāng)電池電壓接近VSYS_REG_MIN時，電池電壓和系統(tǒng)電壓會彼此緊密跟蹤。因此，無論電池狀態(tài)如何，系統(tǒng)電壓總是保持在一個窄范圍內(nèi)。圖7顯示了實際應(yīng)用中的曲線圖。

圖7：典型充電曲線（工作條件：VIN = 16V, VBATT 從0V開始爬升， ICHG = 1.84A, ISYS = 1A)

上面討論的電池充電器操作均使用輸入源為電池充電或為系統(tǒng)供電。實際上還可以反向操作，如USB On-the-Go（OTG）功能。具有USB OTG功能的電池充電器允許設(shè)備的內(nèi)部電池通過設(shè)備輸入端口為設(shè)備供電。

當(dāng)應(yīng)用需要NVDC電源路徑管理和OTG功能時，MPS提供的MP2731電池充電器IC可以完全滿足需求（見圖8）。

圖8：MP2731原理圖和主要特性

MP2731是一款全集成電池充電器，它支持上述的充電模式，并具有高效率和出色的散熱性能。

圖9：高效率和散熱性能

隨著鋰離子電池越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代電器和系統(tǒng)中，不斷評估使它們更高效、更具成本效益變得更加重要。在眾多的架構(gòu)和充電器選擇中，MPS的MP2731等產(chǎn)品可以幫助您簡化設(shè)計流程。