電池與充電管理 選擇與權(quán)衡因素

1、電池與充電管理 選擇與權(quán)衡因素選擇一款最為合適的解決方案應(yīng)該是一項(xiàng)很簡(jiǎn)單的工作，但是在大多數(shù)情況下這一過程頗為復(fù)雜。設(shè)計(jì)人員需要在性能、成本、外形尺寸以及其他關(guān)鍵要求方面找到一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。本文將為廣大設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)工程師提供一些指導(dǎo)和幫助以使得該選擇工作變得更為輕松。以 3 “C”開始實(shí)現(xiàn)充電控制所有使用可充電電池的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都需要清楚一些基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)，以確保滿足下面三個(gè)關(guān)鍵的要求：1、電池安全性: 毋庸置疑，終端用戶安全是所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮的問題。大多數(shù)鋰離子 (Li-Ion) 電池組和鋰聚合物 (Li-Pol) 電池組都含有保護(hù)電子電路。然而，還有一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵因素。

2、其中包括但不局限于確保在鋰離子電池充電最后階段期間 ±1% 的穩(wěn)壓容限、安全處理深度放電電池的預(yù)處理模式、安全計(jì)時(shí)器以及電池溫度監(jiān)控。 2、電池容量：所有的電池充電解決方案都要確保在每一次和每一個(gè)充電周期都能將電池容量充至充滿狀態(tài)。過早的終止充電會(huì)導(dǎo)致電池運(yùn)行時(shí)間縮短，這是當(dāng)今高功耗的便攜式設(shè)備所不希望的。3、電池使用壽命：遵循建議的充電算法是確保終端用戶實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池組最多充電周期的重要一步。利用電池溫度和電壓限定每一次充電、預(yù)處理深度放電電池并避免過晚或非正常充電終止是最大化電池使用壽命所必須的一些步驟。表 1 充電控制總結(jié) 充電特性 電池安全性 電池容量電池使用壽命精確的電壓和/

3、或電流調(diào)節(jié)··充電限制（電壓和溫度）··溫度監(jiān)控···預(yù)處理···充電結(jié)束終止···充電計(jì)時(shí)器·充電狀態(tài)報(bào)告··電池插入與去除探測(cè)·最小電池泄漏·短路電流限制·自動(dòng)再充電·電池化學(xué)技術(shù)的選擇現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在多種電池化學(xué)技術(shù)中進(jìn)行選擇。設(shè)計(jì) 人員通常會(huì)根據(jù)下面的一些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電池化學(xué)技術(shù)的選擇，其中包括：能量密度規(guī)格和外形尺寸成本使用模式和使用壽命近年來，盡管使用鋰離子電池和鋰聚合物電池的趨勢(shì)增

4、強(qiáng)，但是 Ni 電池化學(xué)技術(shù)仍然是諸多消費(fèi)類應(yīng)用一個(gè)不錯(cuò)的選項(xiàng)。無論選擇何種電池化學(xué)技術(shù)，遵循每一種電池化學(xué)技術(shù)的正確充電管理技術(shù)都是至關(guān)重要的。這些技術(shù)將確保電池在每一次和每個(gè)充電周期都能被充至最大容量，而不會(huì)降低安全性或縮短電池使用壽命。 NiCd / NIMH在一個(gè)充電周期開始之前，并且盡可能在開始快速充電之前對(duì)鎳鎘 (NiCd) 電池和鎳氫 (NiMH) 電池必須要進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)節(jié)。如果電池電壓或溫度超出了允許的極限是不允許進(jìn)行快速充電的。出于安全考慮，對(duì)所有“熱”電池（一般高于 45）的充電工作都會(huì)暫時(shí)終止，直到電池冷卻到正常工作溫度范圍內(nèi)才會(huì)再次運(yùn)轉(zhuǎn)。要想處理一個(gè)“冷”電池（一般低于

5、 10）或過度放電的電池（每節(jié)電池通常低于 1V），需要施加一個(gè)溫和的點(diǎn)滴式電流。當(dāng)電池溫度和電壓正確時(shí)快速充電開始。通常用 1C 或更低的恒定電流對(duì) NiMH 電池進(jìn)行充電。一些 NiCd 電池可以用高達(dá) 4C 的速率進(jìn)行充電。采用適當(dāng)?shù)某潆娊K止來避免有害的過充電。就鎳基可充電電池而言，快速充電終止基于電壓或溫度。如圖 1 所示，典型的電壓終止方法是峰值電壓探測(cè)，在峰值時(shí)即每個(gè)電池的電壓在 0-4mV 范圍內(nèi)，快速充電被終止?；跍囟鹊目焖俪潆娊K止方法是觀察電池溫度上升率 DT/Dt 來探測(cè)完全充電。典型的 DT/Dt 率為 1/每分鐘。圖 1 鎳電池化學(xué)技術(shù)的充電曲線鋰離子/鋰聚合物電池與

6、 NiCd 電池和 NiMH 電池相類似，在快速充電之前盡可能檢驗(yàn)并調(diào)節(jié)鋰離子電池。驗(yàn)證和處理方法與上述使用的方法相類似。 如圖 2 所示，驗(yàn)證和預(yù)處理之后，先用一個(gè) 1C 或更低的電流對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電，直到電池達(dá)到其充電電壓極限為止。該充電階段通常會(huì)補(bǔ)充高達(dá) 70% 的電池容量。然后用一個(gè)通常為 4.2V 的恒定電壓對(duì)電池進(jìn)行充電。為將安全性和電池容量，必須要將充電壓穩(wěn)定在至少 ±1%。在此充電期間，電池汲取的充電電流逐漸下降。就 1C 充電率而言，一旦電流電平下降到初始充電電流的 10-15% 以下充電通常就會(huì)終止。圖 2 鋰離子電池化學(xué)技術(shù)充電曲線開關(guān)模式與線性充電拓?fù)涞膶?duì)

7、比 傳統(tǒng)上來說，手持設(shè)備都使用線性充電拓?fù)洹Ｔ摲椒ň哂兄T多優(yōu)勢(shì)：低實(shí)施成本、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷以及無高頻開關(guān)的無噪聲運(yùn)行。但是，線性拓?fù)鋾?huì)增加系統(tǒng)功耗，尤其是當(dāng)電池容量更高引起的充電率增加的時(shí)候。如果設(shè)計(jì)人員無法管理設(shè)計(jì)的散熱問題，這就會(huì)成為一個(gè)主要缺點(diǎn)。當(dāng) PC USB 端口作為電源時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)其他一些缺點(diǎn)。當(dāng)今在許多便攜式設(shè)計(jì)上都具有 USB 充電選項(xiàng)，并且都可提供高達(dá) 500mA 的充電率。就線性解決方案而言，由于其效率較低，可以從 PC USB 傳輸?shù)摹半娔堋绷烤捅淮蟠蠼档?，從而?dǎo)致了充電時(shí)間過長(zhǎng)。這就是開關(guān)模式拓?fù)溆杏梦渲氐脑颉ｉ_關(guān)模式拓?fù)涞闹饕獌?yōu)勢(shì)在于效率的提高。與線性穩(wěn)壓器不同，電源開關(guān)（或多個(gè)開關(guān)）在飽和的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，其大大降低了總體損耗。降壓轉(zhuǎn)換器中功率損耗的主要包括開關(guān)損耗（在電源開關(guān)中）以及濾波電感中的 DC 損耗。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，在這些應(yīng)用中出現(xiàn)效率大大高于 95% 的情況就不足為奇了。 當(dāng)人們聽到開關(guān)模式這個(gè)術(shù)語時(shí)大多數(shù)人都會(huì)想到大型 IC、大 PowerFET 以及超大型電感! 事實(shí)上，雖然對(duì)于處理數(shù)十安培電流的應(yīng)用而言確實(shí)是這樣，但是對(duì)于手持設(shè)備的新一代解決方案而言情況就不一樣了。新一代單體鋰離子開關(guān)模式充電器采用了最高級(jí)別的芯片集成，高于 1MHz 的使用頻率以最小化電感尺寸。圖 1 說明了當(dāng)