便攜式應(yīng)用中的充電技術(shù)

　　摘要：為了給種類快速增長(zhǎng)的便攜式產(chǎn)品供電，目前許多廠家正在開(kāi)發(fā)具有更寬工作溫度范圍、更高能量密度和更長(zhǎng)保存壽命的電池。隨著對(duì)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(kāi)發(fā)也要求對(duì)充電特性進(jìn)行改進(jìn)。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(shì)，使得它們更適合于用作便攜式應(yīng)用的電源。文中對(duì)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(gè)獨(dú)立充電器-lp3946為例，給出了一個(gè)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(duì)電池方面有很多特定的的要求。它們要求高能量密度來(lái)提供無(wú)限的電源(瞬時(shí)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(shí)保證安全，甚至在可能的誤用情況下，還要有無(wú)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(shì)，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(dá)200 wh/kg，300-400 wh/l)以及更高的電池電壓(帶碳陽(yáng)極的電池為4.1v，帶石墨陽(yáng)極的電池為4.2v)。鋰離子電池以棱柱形式提供，還具有更長(zhǎng)的充電保持時(shí)間或保存壽命以及更長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(duì)于電池的效率和壽命起到非常重要的作用。超過(guò)端接電壓會(huì)導(dǎo)致過(guò)度充電，短期來(lái)看是增加了電池的可用能量，但是長(zhǎng)期來(lái)看將會(huì)引起電池失效，并且可能導(dǎo)致安全問(wèn)題。

　　過(guò)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(huì)提高約5%。這種明顯的短期提高對(duì)于電池的充電/放電周期具有嚴(yán)重的后果。過(guò)度充電引起的充電周期縮短如圖2所示。

　　(圖中英文的翻譯：capacity-容量;discharge termination voltage-放電端電壓;charge termination voltage-充電端電壓)

　　(charge/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(huì)引起安全問(wèn)題，但是會(huì)大大降低電池的容量。充電不足對(duì)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;electronics total error-充電總誤差)

　　一般來(lái)說(shuō)給鋰離子電池充電從概念上說(shuō)是非常簡(jiǎn)單的。為了了解鋰離子電池充電的細(xì)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(gè)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(jī)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(jí)。我們?cè)谖恼碌暮竺鎸?huì)看到，esr給充電周期內(nèi)的精確電池電壓檢測(cè)帶來(lái)了特別的難題。

　　對(duì)于鋰離子電池可以采用不同的充電方法。最簡(jiǎn)單的鋰離子電池充電器通常稱為恒定電壓(cv)充電器(見(jiàn)圖5)。這類充電器由一個(gè)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(yáng)極電池為4.1 v，石墨陽(yáng)極電池為4.2 v)。

　　未充電的電池將會(huì)汲取充電電源中可用的所有電流來(lái)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(shí)，就認(rèn)為電池被充分充電了。在充電完成時(shí)，充電器必須完全關(guān)閉或者撤除，因?yàn)閷?duì)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(gè)備用定時(shí)器來(lái)終止充電周期。

　　cv充電是一個(gè)相對(duì)節(jié)省成本的方法，但是這種方法卻要求很長(zhǎng)的電池充電時(shí)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(qiáng)度下進(jìn)行充電。

　　(圖中：30v max. …--最大 30v 直流電源，有電流限制;short for …--對(duì)石墨陽(yáng)極短路，對(duì)碳陽(yáng)極開(kāi)路;drive-驅(qū)動(dòng)器;power off switch-斷電開(kāi)關(guān);(1 or 2 cell) …--(帶 1 或 2 個(gè)電池)的鋰離子蓄電池)

　　一個(gè)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(guò)施加一個(gè)等于電池電容c的恒定電流開(kāi)始。在cc周期中，為了防止過(guò)度充電而監(jiān)視了電池組端子的電壓。當(dāng)電壓達(dá)到特定的端接電壓時(shí)，電路切換為恒定電壓電源工作模式。這時(shí)雖然電池組端子電壓達(dá)到了端接電壓，但由于esr上的壓降，實(shí)際上的電池電壓將會(huì)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(qiáng)度進(jìn)行充電，不會(huì)對(duì)電池造成過(guò)高電壓和過(guò)度充電的危險(xiǎn)，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(lái)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(shí)，充電周期完成。圖7給出了一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于其大大降低了充電時(shí)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(shí)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(wú)法充電。而試圖對(duì)有缺陷的電池進(jìn)行快速充電可能引起危險(xiǎn)情況。理想的充電器必須能夠監(jiān)測(cè)各種可能的電池故障模式并進(jìn)行適當(dāng)?shù)某潆?。我們?yōu)榱撕?jiǎn)化的原因而特意忽略的另一個(gè)因素是電池溫度。在其溫度超出特定溫度范圍的情況下，對(duì)鋰離子電池進(jìn)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(duì)電壓調(diào)節(jié)的跟蹤(或者在cv/cc充電器的情況下，保持對(duì)電流和電壓的跟蹤)。不過(guò)如上所述，伴隨更高充電器效率和更長(zhǎng)電池壽命的是潛在的安全問(wèn)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(hù)包括使電池免遭過(guò)度放電、過(guò)度充電、過(guò)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(guò)了對(duì)于特定電池的限制，電池與電池端子之間的連接將會(huì)開(kāi)路保護(hù)。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(shí)，在延遲一段時(shí)間后，裝置將被復(fù)位。除了電子保護(hù)措施之外，電池還包含一個(gè)機(jī)械的二級(jí)過(guò)流保護(hù)裝置。在電池組和電池端子之間串聯(lián)地安裝了一個(gè)聚合正向溫度系數(shù)(pptc)過(guò)電流保護(hù)裝置。 pptc裝置通過(guò)響應(yīng)過(guò)電流而從低阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)來(lái)保護(hù)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(gè)好的充電器設(shè)計(jì)必須能夠安全而高效地確定鋰離子電池對(duì)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(dú)立充電器(lp3946) lp3946是一種獨(dú)立的單電池鋰離子充電器，具有一個(gè)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?yàn)樗鼰o(wú)須在產(chǎn)品測(cè)試和性能驗(yàn)證時(shí)插入電池。

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　　(圖中：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(shí)間)lp3946的工作可以利用圖11中所示的流程圖很好地說(shuō)明。

　　充電周期從插入墻面適配器開(kāi)始。驗(yàn)證輸入電壓，若其在允許范圍內(nèi)，充電器將啟動(dòng)電池條件檢驗(yàn)過(guò)程。在這個(gè)階段，一個(gè)電流源在電池端子上施加50 ma電流并同時(shí)監(jiān)視電壓。如果電池兩端的電壓高于3.0v，說(shuō)明電池情況良好，則通過(guò)施加一個(gè)恒定電流開(kāi)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(guò)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(shí)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(duì)lp3946的快速充電電流進(jìn)行了廠內(nèi)設(shè)定來(lái)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(duì)電池電壓進(jìn)行精密監(jiān)視以避免過(guò)度充電。正如早先所描述的，超過(guò)電池端接電壓會(huì)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(guò)在達(dá)到端接電壓時(shí)終止cc周期，esr上的壓降提供了一個(gè)保證余量，使得電池不會(huì)遭受過(guò)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(dòng)。在這個(gè)周期內(nèi)，電池在i charge = (vbatt - vcell)/ esr下進(jìn)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(shí)際電池電壓。

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　　當(dāng)電流下降到低于預(yù)先設(shè)置的充電結(jié)束(eoc)等級(jí)時(shí)，充電就終止了。通常推薦的eoc電流等級(jí)為0.1c、0.15c和0.2c。

　　一旦檢測(cè)到eoc，充電周期就完成了。在這個(gè)時(shí)候，充電器電路被關(guān)閉，而維持周期被啟動(dòng)。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(shí)啟動(dòng)充電周期(假定檢測(cè)到適配器ok信號(hào))。

　　對(duì)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(jì)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(jí)別，內(nèi)部保護(hù)電路就會(huì)被激活，斷開(kāi)電池端子與電池組端子之間的連接。如果電池沒(méi)有永久損壞，那么施加低強(qiáng)度電流就可以逐漸地升高電池電壓并復(fù)位內(nèi)部保護(hù)電路。作為一個(gè)備用保護(hù)裝置，一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器保持對(duì)總充電時(shí)間的跟蹤。在cc或cv周期內(nèi)經(jīng)過(guò)5.6小時(shí)之后電池仍未達(dá)到端接電壓的情況下，充電就被終止。

　　作為對(duì)充電周期的形象表現(xiàn)，用chg信號(hào)打開(kāi)一個(gè)紅色led來(lái)表示一個(gè)充電周期開(kāi)始。eoc信號(hào)通過(guò)打開(kāi)一個(gè)綠色led來(lái)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(huì)保持開(kāi)啟。如果檢測(cè)到故障條件，紅色和綠色led就會(huì)同時(shí)開(kāi)啟。

　　bipb輸入引腳是一個(gè)多功能引腳。其主要功能是允許lp3946在沒(méi)有電池時(shí)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(shí)，還可以通過(guò)電池id電阻器把bipb引腳拉到地，把它用做代替檢測(cè)功能的電池。

　　lp3946是一個(gè)獨(dú)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(shí)際上被消除了。不過(guò)，一些應(yīng)用要求與充電器進(jìn)行更多的交互。進(jìn)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(gè)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?？梢圆捎脼榈腿萘侩姵爻潆娫O(shè)置的參數(shù)來(lái)為高容量電池充電，不過(guò)就是需要很長(zhǎng)的充電時(shí)間。而對(duì)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(guò)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?cè)O(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(xiàng)為4.1 v和4.2v，而eoc選項(xiàng)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(huì)在啟動(dòng)時(shí)被用做缺省值。如果電池?cái)嚅_(kāi)或者如果其電壓下降到低于2.85v，出廠缺省值就會(huì)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(shuō)明。

　　除了能夠改變電池的工作參數(shù)之外，可以通過(guò)i2c接口讀回eoc和chg寄存器狀態(tài)來(lái)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(lái)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(gè)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(zhǎng)的便攜式產(chǎn)品供電，正在開(kāi)發(fā)具有更寬工作溫度范圍、更高能量密度和更長(zhǎng)保存壽命的電池。隨著我們對(duì)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(guò)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(kāi)始，并且充電器輸入僅為4.5v。一旦主機(jī)與設(shè)備的通信建立起來(lái)，主機(jī)允許高功率操作。這要求某種程度的智能，而這種等級(jí)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(lái)提供。新電池的開(kāi)發(fā)也要求對(duì)充電特性進(jìn)行改進(jìn)。