便攜式電子設(shè)備的電池技術(shù)

前言

如今的便攜式電子備中電池技術(shù)包括電量檢測算法、電池充電算法與電池充電技術(shù)等幾個方面。眾所周知,充電式電池化學反應(yīng)有鎳鎘、鎳氫、鋰離子和鋰聚合物4種程式,作為便攜式電子設(shè)備來說,雖然這4種電池程式各有特點,但從能量密度與安全性角度的發(fā)展與實踐可知, 鋰離子電池和鋰聚合物電池的優(yōu)勢己成為小型長運行時間的設(shè)備的理想之選，比如筆記本電腦以及基于硬盤的PMP等.對便攜式電子備工程師來說，正確選擇與應(yīng)用好便攜式電子備中電池技術(shù)至關(guān)重要,值此本文將對此作研討,并作應(yīng)用舉例分析.

1、關(guān)于細流充電、快速充電和穩(wěn)定充電的電池充電算法

根據(jù)最終應(yīng)用的能量需求，一個電池組可能包含最多4個鋰離子或鋰聚合物電池芯,其配置可有多種變化，同時帶有一個主流的電源適配器：直接的適配器、USB接口或汽車充電器。除去電芯數(shù)量、電芯的配置或電源適配器類型上的差別，這些電池組都有同樣的充電特性。因此它們的充電算法也一樣。鋰離子與鋰聚合物電池最好的充電算法可以分為3個階段：細流充電、快速充電和穩(wěn)定充電。

*細流充電.用于對深度放電的電芯進行充電。當電芯電壓在低于大約2.8V時，用一個恒定的0.1C的電流為它充電。

*快速充電.電芯電壓超過細流充電的門檻時，提高充電電流進行快速充電?？焖俪潆婋娏鲬?yīng)低于1.0C。

*穩(wěn)定電壓。在快速充電過程中，一旦電芯電壓達到4.2V，穩(wěn)定電壓階段就開始了。這時可通過最小充電電流或定時器或這兩者的聯(lián)合來中斷充電.當最小電流低于大約0.07C時，可中斷充電。定時器則要靠一個預(yù)設(shè)的定時器來觸發(fā)中斷。

高級的電池充電器通常帶有附加的安全功能。比如，如果電芯溫度超出給定窗口，通常是0℃--45℃，充電就會暫停。

除去某些非常低端的設(shè)備，現(xiàn)在市面上的鋰離子／鋰聚合物電池充電方案都集成或是帶有外置的元件，以便按照充電特性進行充電，這不光是為了取得更佳充電效果，同時也是為了安全。

*鋰離子／聚合物電池的充電算應(yīng)用舉例-雙輸入1.2A鋰電池充電器LTC4097

LTC4097可用于交流適配器或USB電源為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電。圖1為雙輸入1.2A鋰電池充電器LTC4097示意圖.它采用恒定電流/恒定電壓算法充電，從交流適配器電源充電時，可編程充 電電流高達1.2A，而用USB電源則可高達1A，同時自動檢測在每個輸入端是否存在電壓。該器件還提供USB限流。應(yīng)用包括PDA、MP3播放器、數(shù)碼 相機、輕型便攜式醫(yī)療和測試設(shè)備以及大彩屏蜂窩電話。其性能特點：無需外部微控制器終止充電；輸入電源自動檢測和選擇；通過電阻從交流適配器輸入充電的可編程充電電流高達1.2A；通過電阻的可編程 USB充電電流高達1A；100%或20% USB充電電流設(shè)置；輸入電源存在輸出和NTC偏置（VNTC）引腳具120mA驅(qū)動能力；NTC熱敏電阻輸入（NTC）引腳用于溫度合格的充電；預(yù)設(shè)置 電池浮動電壓具±0.6%的準確度；熱調(diào)節(jié)最大限度地提高充電速率且無過熱風LTC4097可用于交流適配器或USB電源為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電。其采用恒定電流/恒定電壓算法充電，從交流適配器電源充電時，可編程充 電電流高達1.2A，而用USB電源則可高達1A，同時自動檢測在每個輸入端是否存在電壓。該器件還提供USB限流。應(yīng)用包括PDA、MP3播放器、數(shù)碼 相機、輕型便攜式醫(yī)療和測試設(shè)備以及大彩屏蜂窩電話。

2、鋰離子/聚合物電池充電方案

鋰離子/聚合物電池的充電方案對于不同數(shù)量的電芯、電芯配置以及電源類型還是不同的。目前主要有3種主要的充電方案：線性，Buck(降壓)開關(guān)和SEPIC(升壓與降壓)開關(guān)。

2.1線性方案

當充電器輸入電壓大于全充滿電芯加上充足凈空之后的開路電壓時，最好用線性方案，特別是1.0C快速充電電流不比1A大太多時。比如，MP3播放器通常只有一個電芯，容量從700到1500mAh不等，滿充開路電壓是4.2V。MP3播放機的電源通常是AC／DC適配器或者是USB接口，其輸出是規(guī)則的5V；這時，線性方案的充電器就是最簡單、最有效率的方案。圖2所示為鋰離子/聚合物電池充電方案線性方案,基本結(jié)構(gòu)和線性電壓規(guī)整器一樣。

*線性方案的充電器應(yīng)用例舉-雙輸入Li+充電器及智能電源選擇器MAX8677A

MAX8677A是雙輸入USB/AC適配器線性充電器，內(nèi)置Smart Power Selector，用于由可充電單節(jié)Li+電池供電的便攜式設(shè)備。該充電器集成了電池和外部電源充電和切換負載所需的全部功率開關(guān)，因此無需外部 MOSFET。MAX8677A理想用于便攜式設(shè)備，例如智能手機、PDA、便攜式多媒體播放器、GPS導(dǎo)航設(shè)備、數(shù)碼相機、以及數(shù)碼攝像機。

MAX8677A可以工作于獨立的USB和AC適配器電源輸入下或兩個輸入中的任意一個輸入下。當連接外部電源時，智能電源選擇器允許系統(tǒng)不連接電池或可以與深度放電電池連接。智能電源選擇器自動將電池切換到系統(tǒng)負載，使用系統(tǒng)未利用的輸入電源部分為電池充電，充分利用有限的USB和適配器輸入電源。所有需要的電流檢測電路，包括集成的功率開關(guān)，均集成于片上。DC輸入電流限最高可調(diào)節(jié)至2A，而DC和USB輸入均可支持100mA、500mA、和USB掛起模式。充電電流可調(diào)節(jié)至高達1.5A，從而支持 寬范圍的電池容性。MAX8677A的其他特性包括熱調(diào)節(jié)、過壓保護、充電狀態(tài)和故障輸出、電源好監(jiān)視、電池熱敏電阻監(jiān)視、以及充電定時器。MAX8677A采用節(jié)省空間的、熱增強型、4mm×4mm、24引腳的TQFN封裝，規(guī)定工作于擴展級溫度范圍(-40～+85℃)。

2.2Buck(降壓)開關(guān)方案

當1.0C充電的電流大于1A，或者輸入電壓比電芯的全充滿開路電壓高很多時，Buck或者降壓方案就是一個更好的選擇。比如，在基于硬盤的PMP中，通常使用單芯鋰離子電池，全充滿開路電壓是4.2V，容量從1200到2400mAh不等。而現(xiàn)在PMP通常是用汽車套件來充電，它的輸出電壓在9V到16V之間。在輸入電壓和電池電壓之間比較高的電壓差(最小4.8V)會讓線性方案降低效率。這種低效率，加上大于1.2A的1C快速充電電流，會產(chǎn)生嚴重的散熱問題。為避免這種情況，就要采用Buck方案。圖3為鋰離子/聚合物電池Buck充電器方案示意圖,基本結(jié)構(gòu)同Buck(降壓)開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器完全相同。

2.3SEPIC(升壓與降壓)開關(guān)方案

在某些使用3個甚至4個鋰離子／聚合物電芯串聯(lián)的設(shè)備中，充電器的輸入電壓就不總是大于電池電壓。比如，筆記本電腦使用3芯鋰離子電池組，滿充開路電壓是12．6V(4．2V x3)，容量從1800mAh到3600mAh。輸入電源要么是輸出電壓1 6V的AC／DC適配器，要么是汽車套件，輸出電壓在9V到16V之間。很顯然地，線性和Buck方案都不能為這組電池組充電。這就要用上SEPIC方案，它能在輸出電壓高于電池電壓時工作，也能在輸出電壓低于電池時工作。

3、電量檢測算法

許多可攜式產(chǎn)品都利用電壓測量值來估計電池剩馀電量，但是電池電壓與剩馀電量的關(guān)系卻會隨著放電率、溫度和電池老化程度而改變，使這種方法的誤差率最高可達50％。市場對使用時間更長的產(chǎn)品需求不斷增強，因此系統(tǒng)設(shè)計人員需要更加精確的解決方案。使用電量檢測計吧來測量電池充人或消耗的電量，將能夠在很寬的應(yīng)用電源級別范圍內(nèi)提供更精確的電池電量估測。

3.1電量檢測算法應(yīng)用舉例之一,功能完整的單＼雙電池便攜式應(yīng)用電池組設(shè)計

*電量檢測原理.較好的電量檢測計至少要具備電池電壓、電池組溫度和電流、測量方法；一個微處理9a；和一套及業(yè)經(jīng)驗證的電量檢測算法。bq2650x及bq27x00是功能完整的電量檢測計，具有一個測量電壓與溫度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個測量電流與充電感測的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這些電量檢測計還具有一個微處理器，負責執(zhí)行德州儀器的電量檢測算法。這些演算法會補償鋰離子電池的自放電、老化、溫度和放電率等因素。晶片內(nèi)含微處理器為主機系統(tǒng)處理器省下這些計算負擔.電量檢測計能夠提供剩余電量狀態(tài)等信息，bq27x00系列產(chǎn)品還提供剩余可運行時間(Run Time to Empty)主機可隨時向電量檢測計查詢這些信息，再透過LED指示燈或屏幕顯示將電池信息通知用戶。電量檢測計的使用非常方便，系統(tǒng)處理器僅需要配置12C或HDQ通信驅(qū)動器即可。

*電池組電路描述.圖4(a)為可選用具有鑒定功能IC的典型的電池組應(yīng)用電路。根據(jù)所使用電量檢測計IC的不同，電池組至少需要有三到四個外部終端。

VCC及BAT引腳會連到電池電壓，以便為，C供電及測量電池電壓。電池接地端連接了一個電阻值較小的檢測電阻器，讓電量檢測計的高阻抗SRP及SRN輸入端能夠監(jiān)控感測電阻兩端的電壓。通過流經(jīng)檢測電阻器的電流可用來判斷電池充入或釋放的電量。設(shè)計人員選擇檢測電阻值時必須考慮電阻兩端的電壓不能超過100 mV，過低的電阻值可能會在電流較小時產(chǎn)生誤差。電路板布局必須確保從SRP及SRN到檢測電阻器的連接要盡可能靠近感測電阻端；換言之，它們應(yīng)該是采用Kelvin連線。

HDQ引腳需要外部上拉電阻器，該電阻應(yīng)位于主機或主應(yīng)用端，這樣電量檢測計才能在電池組與便攜式設(shè)備連接斷開時啟用睡眠功能。建議上拉電阻值選用10 kΩ。

*電池組鑒定。價格低廉的偽冒電池的問題日益嚴重，這些電池可能不包含OEM廠商要求的安全保護電路。所以，真品電池組可包含圖4(a)所示的鑒定電路。當要鑒定電池時，主機向含有IC(bq26150，作用是循環(huán)冗余校驗(CRC))的電池組發(fā)出一個詢問值(challenge)，電池組所含的CRC會根據(jù)這個詢問值和，IC中內(nèi)建的CRC多項式計算這個CRC值。CRC是基于主機的查詢命令與IC中秘密定義的CRC多項式完成的，主機也會進行CRC值計算井與電池組的計算結(jié)果比較以確定鑒定是否成功。

一旦電池通過鑒定，bq26150則會發(fā)出指令以確保主機與電量檢測計之間的資料線路通訊正常。當電池連接中斷或重新連接時，整個鑒定過程將重復(fù)一次。

*雙電池應(yīng)用。圖4(b)為使用bq26500支持雙體鋰離子電池的典型應(yīng)用電路。為了支持多顆電池，此電路增加一個可調(diào)穩(wěn)壓器。電量檢測計的BAT引腳與最下面一節(jié)電池的負極相連，以完成可變電池組電壓的測量。

主機要能夠讀懂電量檢測計測量的可變電池組電壓，以確定放電結(jié)束閾值以及充電終止閾值。至於電量剩余狀態(tài)(RemainingStateofCapacity)等，則不需要解讀就能直接使用。

上述bq2650x及bq27x00等電量檢測計提供電池制造商一個簡單易用的選擇方案，該方案L[僅僅測量電池電壓要精確很多，這些電量檢測計可用於各種電池架構(gòu)，并可支持電池鑒定及雙電池應(yīng)用‘

3.2電量檢測算法應(yīng)用舉例之二,能適用于各種通用電量計的新型IC.

當今不少制造廠商可提供種類豐富的電量計IC,，用戶可從中選取合適的功能器件，以優(yōu)化產(chǎn)品的性價比。利用電量計貯測量的電池參數(shù)，這種分離式架構(gòu)允許用戶在主機內(nèi)定制電量計量算法．從而省去電池組內(nèi)嵌處理器的成本。值此以Dallase semicconductor公司名為例的DS2762芯片作典型分析. 一新型分離式電量計IC,其結(jié)構(gòu)見圖5(a)所示.

*DS2762應(yīng)用特征

DS2762是一款單節(jié)鋰電池電量計與保護電路，集成于一片微小的2.46mm× 2.74mm倒裝片封裝。由于內(nèi)部集成了用于電量檢測的高精密電阻，該款器件非常節(jié)省空間。它所具有的小尺寸和無可比擬的高集成度，對于移動電話電池組及其它類似的手持產(chǎn)品，如PDA等，都非常理想。集成的保護電路連續(xù)地監(jiān)視電池的過壓、欠壓和過流故障(充電或放電期間)。不同于獨立的保護IC，DS2762允許主處理器監(jiān)視/控制保護FET的導(dǎo)通狀態(tài)，這樣，可以通過DS2762的保護電路實現(xiàn)系統(tǒng)電源控制。DS2762也可以充電一個已深度消耗的電池，當電池電壓不足3V時，提供一條限制電流的恢復(fù)充電路徑。

DS2762能夠精確監(jiān)視電池電流、電壓和溫度，其動態(tài)范圍與分辨率滿足任何通行的移動通信產(chǎn)品的測試標準。測得的電流對內(nèi)部產(chǎn)生的時基進行積分，實現(xiàn)電量計量。通過實時、連續(xù)的自動失調(diào)糾正，電量計量的精度得以提高。內(nèi)置的檢測電阻消除了因制造工藝和溫度而造成的電阻變化，進一步提高了電量計的精度。重要數(shù)據(jù)保存于32字節(jié)、可加鎖的EEPROM；16字節(jié)的SRAM用于保存動態(tài)數(shù)據(jù)。與DS2762的所有通信均通過1-Wire、多節(jié)點通信接口進行，最大限度減少了電池組與主機的連線。其主要特征為；單節(jié)鋰電池保護器；高精度電流(電量計量)、電壓和溫度測量；可選的集成25mΩ檢測電阻，每個DS2762經(jīng)過單獨微調(diào)；0V電池恢復(fù)充電；32字節(jié)可加鎖EEPROM，16字節(jié)SRAM，64位ROM；

1-Wire，多節(jié)點，數(shù)字通信接口；支持多電池組電源管理，并通過保護FET實現(xiàn)系統(tǒng)電源控制；休眠模式下電源電流僅2μA(最大);工作模式下電源電流為90μA(最大);2.46mm×2.74mm倒裝片封裝或16引腳下SSOP封裝，兩者均可選擇帶或不帶檢測電阻;復(fù)具有備有評估板.

4、結(jié)論

應(yīng)用好便攜式電子備的電池技術(shù)是選擇鋰離子電池和鋰聚合物電池及其充電器的基礎(chǔ).之于如何正確選擇,還必須視便攜式電子備的具體要求而定。