選擇與應(yīng)用好便攜式電子設(shè)備中電池技術(shù)的研究

如今的便攜式電子設(shè)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(gè)方面。眾所周知，充電式電池化學(xué)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(diǎn)，但從能量密度與安全性角度的發(fā)展與實(shí)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(yùn)行時(shí)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。對便攜式電子設(shè)備工程師來說，正確選擇與應(yīng)用好便攜式電子設(shè)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(xì)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(gè)電池組可能包含最多4個(gè)鋰離子或鋰聚合物電池芯，其配置可有多種變化，同時(shí)帶有一個(gè)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(gè)階段：細(xì)流充電、快速充電和穩(wěn)定充電。

1.1 細(xì)流充電

用于對深度放電的電芯進(jìn)行充電。當(dāng)電芯電壓在低于大約2.8V時(shí)，用一個(gè)恒定的0.1C的電流為它充電。

1.2 快速充電

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

1.3 穩(wěn)定電壓

在快速充電過程中，一旦電芯電壓達(dá)到4.2V，穩(wěn)定電壓階段就開始了。這時(shí)可通過最小充電電流或定時(shí)器或這兩者的聯(lián)合來中斷充電。當(dāng)最小電流低于大約0.07C時(shí)，可中斷充電。定時(shí)器則要靠一個(gè)預(yù)設(shè)的定時(shí)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(huì)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(jìn)行充電，這不光是為了取得更佳充電效果，同時(shí)也是為了安全。

1.4 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(shí)，可編程充電電流高達(dá)1.2A，而用USB電源則可高達(dá)1A，同時(shí)自動(dòng)檢測在每個(gè)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(jī)、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(diǎn)：無需外部微控制器終止充電；輸入電源自動(dòng)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(dá)1.2A；通過電阻的可編程 USB充電電流高達(dá)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(dòng)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(dòng)電壓具±0.6%的準(zhǔn)確度；熱調(diào)節(jié)最大限度地提高充電速率且無過熱風(fēng)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(shí)，可編程充電電流高達(dá)1.2A，而用USB電源則可高達(dá)1A，同時(shí)自動(dòng)檢測在每個(gè)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(jī)、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(dāng)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(shí)，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(shí)。比如，MP3播放器通常只有一個(gè)電芯，容量從700到1500mAh不等，滿充開路電壓是4.2V。MP3播放機(jī)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(shí)，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U(xiǎn)SB/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(fù)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(jī)、PDA、便攜式多媒體播放器、GPS導(dǎo)航設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、以及數(shù)碼攝像機(jī)。

MAX8677A可以工作于獨(dú)立的USB和AC適配器電源輸入下或兩個(gè)輸入中的任意一個(gè)輸入下。當(dāng)連接外部電源時(shí)，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(dòng)將電池切換到系統(tǒng)負(fù)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(dá)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(hù)、充電狀態(tài)和故障輸出、電源好監(jiān)視、電池?zé)崦綦娮璞O(jiān)視、以及充電定時(shí)器。MAX8677A采用節(jié)省空間的、熱增強(qiáng)型、4mm×4mm、24引腳的TQFN封裝，規(guī)定工作于擴(kuò)展級溫度范圍（-40～+85℃）。

2.2 Buck（降壓）開關(guān)方案

當(dāng)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(shí)，Buck或者降壓方案就是一個(gè)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(huì)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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。

2.3 SEPIC（升壓與降壓）開關(guān)方案

在某些使用3個(gè)甚至4個(gè)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(shí)工作，也能在輸出電壓低于電池時(shí)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(jì)電池剩馀電量，但是電池電壓與剩馀電量的關(guān)系卻會(huì)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(dá)50％。市場對使用時(shí)間更長的產(chǎn)品需求不斷增強(qiáng)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要更加精確的解決方案。使用電量檢測計(jì)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(jì)

3.11 電量檢測原理

較好的電量檢測計(jì)至少要具備電池電壓、電池組溫度和電流、測量方法；一個(gè)微處理9a；和一套及業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的電量檢測算法。bq2650x及bq27x00是功能完整的電量檢測計(jì)，具有一個(gè)測量電壓與溫度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個(gè)測量電流與充電感測的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這些電量檢測計(jì)還具有一個(gè)微處理器，負(fù)責(zé)執(zhí)行德州儀器的電量檢測算法。這些算法會(huì)補(bǔ)償鋰離子電池的自放電、老化、溫度和放電率等因素。芯片內(nèi)含微處理器為主機(jī)系統(tǒng)處理器省下這些計(jì)算負(fù)擔(dān)。電量檢測計(jì)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(yùn)行時(shí)間（Run TIme to Empty）主機(jī)可隨時(shí)向電量檢測計(jì)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(jì)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(dòng)器即可。

3.12 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(jì)IC的不同，電池組至少需要有三到四個(gè)外部終端。

VCC及BAT引腳會(huì)連到電池電壓，以便供電及測量電池電壓。電池接地端連接了一個(gè)電阻值較小的檢測電阻器，讓電量檢測計(jì)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(jì)人員選擇檢測電阻值時(shí)必須考慮電阻兩端的電壓不能超過100mV，過低的電阻值可能會(huì)在電流較小時(shí)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(jī)或主應(yīng)用端，這樣電量檢測計(jì)才能在電池組與便攜式設(shè)備連接斷開時(shí)啟用睡眠功能。建議上拉電阻值選用10kΩ。

3.13 電池組鑒定

價(jià)格低廉的偽冒電池的問題日益嚴(yán)重，這些電池可能不包含OEM廠商要求的安全保護(hù)電路。所以，真品電池組可包含圖4（a）所示的鑒定電路。當(dāng)要鑒定電池時(shí)，主機(jī)向含有IC（bq26150，作用是循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC））的電池組發(fā)出一個(gè)詢問值（challenge），電池組所含的CRC會(huì)根據(jù)這個(gè)詢問值和，IC中內(nèi)建的CRC多項(xiàng)式計(jì)算這個(gè)CRC值。CRC是基于主機(jī)的查詢命令與IC中秘密定義的CRC多項(xiàng)式完成的，主機(jī)也會(huì)進(jìn)行CRC值計(jì)算井與電池組的計(jì)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(huì)發(fā)出指令以確保主機(jī)與電量檢測計(jì)之間的資料線路通訊正常。當(dāng)電池連接中斷或重新連接時(shí)，整個(gè)鑒定過程將重復(fù)一次。

3.14 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(gè)可調(diào)穩(wěn)壓器。電量檢測計(jì)的BAT引腳與最下面一節(jié)電池的負(fù)極相連，以完成可變電池組電壓的測量。

主機(jī)要能夠讀懂電量檢測計(jì)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。至于電量剩余狀態(tài)（Remaining Stateof Capacity）等，則不需要解讀就能直接使用。

上述bq2650x及bq27x00等電量檢測計(jì)提供電池制造商一個(gè)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(jì)可用于各種電池架構(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(jì)的新型IC。

當(dāng)今不少制造廠商可提供種類豐富的電量計(jì)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(jià)比。利用電量計(jì)貯測量的電池參數(shù)，這種分離式架構(gòu)允許用戶在主機(jī)內(nèi)定制電量計(jì)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(jì)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(jì)與保護(hù)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(dòng)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(hù)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(dú)立的保護(hù)IC，DS2762允許主處理器監(jiān)視/控制保護(hù)FET的導(dǎo)通狀態(tài)，這樣，可以通過DS2762的保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源控制。DS2762也可以充電一個(gè)已深度消耗的電池，當(dāng)電池電壓不足3V時(shí)，提供一條限制電流的恢復(fù)充電路徑。圖5（b）為由DS2762芯片構(gòu)成所的完整的鋰電池組設(shè)計(jì)。

DS2762能夠精確監(jiān)視電池電流、電壓和溫度，其動(dòng)態(tài)范圍與分辨率滿足任何通行的移動(dòng)通信產(chǎn)品的測試標(biāo)準(zhǔn)。測得的電流對內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)基進(jìn)行積分，實(shí)現(xiàn)電量計(jì)量。通過實(shí)時(shí)、連續(xù)的自動(dòng)失調(diào)糾正，電量計(jì)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(jìn)一步提高了電量計(jì)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。與DS2762的所有通信均通過1-Wire、多節(jié)點(diǎn)通信接口進(jìn)行，最大限度減少了電池組與主機(jī)的連線。其主要特征為；單節(jié)鋰電池保護(hù)器；高精度電流（電量計(jì)量）、電壓和溫度測量；可選的集成25mΩ檢測電阻，每個(gè)DS2762經(jīng)過單獨(dú)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(diǎn)，數(shù)字通信接口；支持多電池組電源管理，并通過保護(hù)FET實(shí)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)用好便攜式電子設(shè)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)。至于如何正確選擇，還必須視便攜式電子設(shè)備的具體要求而定。