電池與充電管理：選擇與權(quán)衡因素
????概述
便攜式電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員可以選擇各種各樣的化學(xué)技術(shù)、充電器拓?fù)湟约俺潆姽芾斫鉀Q方案。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(guò)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(kāi)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(wèn)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。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(guò)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(guò)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)。
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(lái)，盡管使用鋰離子電池和鋰聚合物電池的趨勢(shì)增強(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(wú)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(kāi)始之前，并且盡可能在開(kāi)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?C）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 10?C）或過(guò)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(kāi)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(lái)避免有害的過(guò)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? 來(lái)探測(cè)完全充電。典型的? 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 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(kāi)關(guān)模式與線性充電拓?fù)涞膶?duì)比
傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，手持設(shè)備都使用線性充電拓?fù)?。該方法具有諸多優(yōu)勢(shì)：低實(shí)施成本、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷以及無(wú)高頻開(kāi)關(guān)的無(wú)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(wú)法管理設(shè)計(jì)的散熱問(wèn)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(guò)長(zhǎng)。
這就是開(kāi)關(guān)模式拓?fù)溆杏梦渲氐脑?。開(kāi)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(kāi)關(guān)（或多個(gè)開(kāi)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*率損耗的主要包括開(kāi)關(guān)損耗（在電源開(kāi)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(tīng)到開(kāi)關(guān)模式這個(gè)術(shù)語(yǔ)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(kāi)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(shuō)明了當(dāng)今市場(chǎng)上已開(kāi)始銷售的此類解決方案。該硅芯片的尺寸不到 4 mm2，其集成了高側(cè)和低側(cè) PowerFET。由于采用了 3MHz 開(kāi)關(guān)頻率，該解決方案要求一個(gè)小型 1uH 電感， 其外形尺寸僅為：2mm x 2.5mm x 1.2mm (WxLxH)。
充電器的選擇
電池充電器工具使得設(shè)計(jì)人員選擇正確的充電器的過(guò)程更輕松。圖 3 是 TI 網(wǎng)站上提供的一種工具的示例。