新興鋰離子電池充電技術(shù)的優(yōu)點及應(yīng)用

多年來，對高效、重量輕、快速充電、安全和高性價比便攜式電源的需求帶動了許多新電池技術(shù)的研發(fā)，包括鎳氫電池 （NiMH）、可充電堿性電池、鋰離子 （Li-ion） 電池和鋰聚合物 （Li-poly） 電池等，而這些僅是其中的幾種。 這些新的電池化學(xué)物質(zhì)通常需要通過更復(fù)雜的充電和保護電路來最大限度地提升性能、確保安全。 令人欣慰的是，工程師們開發(fā)出了同樣先進的電池充電和保護用半導(dǎo)體器件。

本文將探討這些新興電池技術(shù)的優(yōu)點及局限性。 同時，我們還將調(diào)查、報告由 Maxim Integrated、Linear Technology 和 Texas Instruments 等半導(dǎo)體制造商提供的全新鋰離子電池充電解決方案。

電池技術(shù)

最近幾年來，在便攜式電子設(shè)備領(lǐng)域涌現(xiàn)出多種全新可充電電池化學(xué)物質(zhì)，它們已能挑戰(zhàn)長期受歡迎的鎳鎘電池 （NiCd） 技術(shù)，不過，后者能提供如電動工具等應(yīng)用所需的短時大電流以及令人滿意的低阻抗特性，因此在這些應(yīng)用領(lǐng)域會繼續(xù)受到青睞。

然而，如智能手機、平板電腦、數(shù)字攝像機等現(xiàn)代便攜式應(yīng)用的設(shè)計人員都在尋求比 NiCd 擁有更大容量、更小放電速度的電池。 這些應(yīng)用還要求電池能快速充電、重量輕。 滿足這些要求的電池技術(shù)有鎳氫電池 （NiMH）、鋰離子電池 （Li-ion） 和鋰聚合物電池 （Li-poly）。 盡管 NiMH 電池具有更大的容量和更快的充電速度，但其不足之處是自放電速度較快，是 NiCd 電池的兩倍并且一開始就相對較快（表 1）。

表 1：不同類型化學(xué)物質(zhì)的電池關(guān)鍵參數(shù)（感謝 Maxim Integrated 提供數(shù)據(jù)）。

如 Maxim Integrated 的應(yīng)用說明 AN676 1 所述，鋰離子電池和鋰聚合物電池擁有比 NiCd 和 NiMH 電池大得多的容量和低得很的放電速度，因此在便攜式產(chǎn)品中得以廣泛應(yīng)用。 該應(yīng)用說明還指出，鋰離子電池的重量也更輕。 因此，鋰離子電池的每單位重量內(nèi)的容量幾乎是 NiMH 電池的兩倍多。

鋰離子電池當(dāng)然也有局限性。 Maxim 指出，鋰離子電池極易受到過度充電和充電不足的影響。 電壓過高會造成永久性損壞，而重復(fù)放電至相當(dāng)?shù)偷碾妷河謺谷萘繙p小。 所以，為了保護電池，所用的充電解決方案必須能限制充放電期間的電池電流和電壓。

因此，鋰離子電池組通常配備某種形式的欠壓、過壓保護電路以及保險絲，以防出現(xiàn)過大電流。 Maxim 的工程師還建議，這類電池組還需配備一個開關(guān)，用于在高壓力造成電池組泄壓時打開電池的電路。

而且，與需要通過電流源充電的 NiCd 和 NiMH 電池不同，鋰離子電池必須采用電壓和電流源組合進行充電。 為達到最大充電狀態(tài)而又不會損壞電池，大多數(shù)鋰離子電池充電器會保持 1% 的輸出電壓容差。 通常不建議保持更精確的容差，因為這樣做不僅難度大，還將增大成本。 一般來講，即使稍稍增大容量也將會得不償失。

單芯鋰離子電池充電器

對于手機和其他類似設(shè)備而言，最佳的電池充電方法是采用獨立的充電座，您可把電池或者設(shè)備放入“鞍式”充電座中。 根據(jù) Maxim 介紹，線性、單芯鋰離子或者鋰聚合物電池充電器適于在充電座中使用。 既然電池組或者充電裝置是獨立的，那么發(fā)熱就不會成為問題，因為這種熱量不會在設(shè)備中聚集。 這種情況下，線性調(diào)節(jié)器能降低在其線性區(qū)域內(nèi)工作的通道晶體管上的壓差（DC 源和電池之間）。 由于充電器被限制在一個小空間內(nèi)，因此建議利用氣流方式消除功率耗散產(chǎn)生的過熱情況。

Maxim 的線性單芯鋰離子電池充電器命名為 MAX846A。 該器件擁有精確度為 0.5% 基準(zhǔn)值，能為對電壓準(zhǔn)確性要求嚴(yán)格的鋰離子電池安全充電。 其中用于控制外部低成本 PNP 晶體管（或 P 溝道 MOSFET）的電壓和電流調(diào)節(jié)回路相互獨立。 如圖 1 所示，來自 Fairchild Semiconductor 的外部功率晶體管 FZT749 能將源電壓降低至電池電壓，并且電路中的大部分功率耗散由其產(chǎn)生。 這樣，便形成一個更加穩(wěn)定的內(nèi)部基準(zhǔn)，從而提供更穩(wěn)定的電池限壓。

圖 1：線性單芯鋰離子電池充電器 MAX846A 驅(qū)動一個外部功率晶體管 （Q1），該晶體管能把源電壓降低至電池電壓。

在該電路中，R1 和 R3 決定輸出電流。 R1 檢測充電電流，R3 設(shè)定電流調(diào)節(jié)水平。 ISET 端子的電流輸出值是 CS+ 和 CS- 之間電壓值的 1/1000。 電流穩(wěn)壓器將 ISET 電壓控制在 2 V 水平。因此，電流限值 ［2，000/（R3 *R1）］ 為 1 A。如 Maxim 應(yīng)用說明所述，電流和電壓限值的控制回路均具有獨立的補償點（CCV 和 CCI），簡化了這些限值的穩(wěn)定過程。 ISET 和 VSET 端子可用于調(diào)節(jié)電流和電壓限值。

空間受限型應(yīng)用領(lǐng)域的線性充電器供應(yīng)商還包括 Texas Instruments。 TI 的高度集成式 bq24040 系列充電器 IC 專用于為單芯鋰離子電池和鋰聚合物電池充電。 該系列充電器能處理高輸入電壓范圍，可通過 USB 端口或者低成本 AC 適配器工作。 根據(jù) TI 的介紹，bq2400x 系列的充電過程分為三個階段：調(diào)節(jié)、恒流和恒壓。 在整個充電期間，內(nèi)部控制回路監(jiān)視 IC 的結(jié)溫，當(dāng)超過內(nèi)部溫度閾值時就會減小充電電流。

Linear Technology 的獨立式鋰離子電池充電器 LTM8061 經(jīng)過優(yōu)化，同樣專用于單芯、兩芯鋰離子和鋰聚合物電池組充電，可提供 4.1 V、4.2 V、8.2 V 或 8.4 V 固定浮充電壓。該器件具有恒流和恒壓充電特性，最大充電電流可達 2 A。根據(jù) μModule（微模塊）電池充電器的規(guī)格書，該器件是一個完整的系統(tǒng)級封裝 （SiP） 充電解決方案，它在一個小巧的表面貼裝式 LGA 封裝中集成了 DC/DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補償元件和電感器。 因此，基于 LTM8061 的單芯鋰離子電池充電器采用的外部元件最少（圖 2）。

圖 2：μModule 電池充電器 LTM8061 是一種用于單芯鋰離子電池的完整系統(tǒng)級封裝 （SiP） 充電解決方案。

Fairchild Semiconductor、Intersil 和 STMicroelectronics 等其他制造商也加入了這場為鋰離子電池和鋰聚合物電池提供高能效充電器集成 IC 的競賽。

為兩芯或者多芯電池充電

圖 3 所示為為兩個串聯(lián)的鋰離子電池充電的類似電路。 該電路采用了 Maxim 的 MAX745 器件，這是一個達到 90% 能效的開關(guān)模式鋰離子電池充電器。 MAX745 在單一芯片上集成了為鋰離子電池充電所需的全部功能，可提供高達 4 A 的可調(diào)節(jié)充電電流而不會發(fā)熱，并在電池端子上提供總誤差僅為 ±0.75% 的可調(diào)節(jié)電壓。 該器件采用低成本 1% 電阻器設(shè)定輸出電壓，以及低成本 N 溝道 MOSFET 作為功率開關(guān)。 電壓設(shè)定點和充電電流由兩個回路調(diào)節(jié)，且這兩個電路協(xié)調(diào)工作，以確保電壓和電流調(diào)節(jié)之間的平穩(wěn)切換。 利用標(biāo)準(zhǔn)的 1% 電阻器將每芯電池電壓的調(diào)節(jié)限值設(shè)定在 4 V 和 4.4 V 之間。

圖 3：MAX745 是一款開關(guān)模式充電器，擁有向多個串聯(lián)鋰離子電池充電所需的全部功能。

Texas Instruments 和 Linear Technology 等供應(yīng)商也提供向兩個串聯(lián)鋰離子電池充電的集成 IC。

盡管有多種單芯或者多芯鋰離子電池充電方案可以選擇，但在為這些應(yīng)用選擇電池充電器 IC 前，設(shè)計人員首先必須檢驗以下幾方面的要求，如輸入電壓、充電電流、充電方法、保護能力、USB 兼容性、成本和其他關(guān)鍵特性。