利用智能充電管理克服便攜式設(shè)備所面臨挑戰(zhàn)

用于鋰離子電池充電的獨(dú)立IC充電管理系統(tǒng)

IC,即集成電路是采用半導(dǎo)體制作工藝，在一塊較小的單晶硅片上制作上許多晶體管及電阻器、電容器等元器件，并按照多層布線或遂道布線的方法將元器件組合成完整的電子電路。它在電路中用字母IC(也有用文字符號(hào)N等)表示。隨著微處理器和PC機(jī)的廣泛應(yīng)用和普及(特別是在通信、工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域)，IC產(chǎn)業(yè)已開始進(jìn)入以客戶為導(dǎo)向的階段。一方面標(biāo)準(zhǔn)化功能的IC已難以滿足整機(jī)客戶對(duì)系統(tǒng)成本、可靠性等要求，同時(shí)整機(jī)客戶則要求不斷增加IC的集成度，提高保密性，減小芯片面積使系統(tǒng)的體積縮小，降低成本，提高產(chǎn)品的性能價(jià)格比，從而增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，得到更多的市場(chǎng)份額和更豐厚的利潤(rùn);另一方面，由于IC微細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步，軟件的硬件化已成為可能，為了改善系統(tǒng)的速度和簡(jiǎn)化程序，故各種硬件結(jié)構(gòu)的ASIC如門陣列、可編程邏輯器件(包括FPGA)、標(biāo)準(zhǔn)單元、全定制電路等應(yīng)運(yùn)而生。

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(lái)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(cè)和應(yīng)用指南來(lái)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(guò)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(guò)，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(wèn)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(yáng)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(wú)需改變硬件即可實(shí)現(xiàn)。通過(guò)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(jìng)爭(zhēng)過(guò)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(guò)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(lái)解決這些問(wèn)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(lái)防止鋰離子電池由于過(guò)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(lái)說(shuō)，在加上一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷汉螅鼤?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(guò)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(guò)程的開始，如果內(nèi)部功耗過(guò)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(guò)程延長(zhǎng)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(wú)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(lái)說(shuō)，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。