利用智能充電管理克服便攜式設(shè)備所面臨挑戰(zhàn)

電子信息時(shí)代使對移動(dòng)電源的需求快速增長。由于鋰離子電池具有高電壓、高容量的重要優(yōu)點(diǎn)，且循環(huán)壽命長、安全性能好，使其在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、空間技術(shù)、國防工業(yè)等多方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近幾年廣為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。鋰離子電池的機(jī)理一般性分析認(rèn)為，鋰離子電池作為一種化學(xué)電源，指分別用兩個(gè)能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)反之。鋰離子電池是物理學(xué)、材料科學(xué)和化學(xué)等學(xué)科研究的結(jié)晶。鋰離子電池所涉及的物理機(jī)理，目前是以固體物理中嵌入物理來解釋的，嵌入(intercalation)是指可移動(dòng)的客體粒子(分子、原子、離子)可逆地嵌入到具有合適尺寸的主體晶格中的網(wǎng)絡(luò)空格點(diǎn)上。電子輸運(yùn)鋰離子電池的正極和負(fù)極材料都是離子和電子的混合導(dǎo)體嵌入化合物。電子只能在正極和負(fù)極材料中運(yùn)動(dòng)。已知的嵌入化合物種類繁多，客體粒子可以是分子、原子或離子。在嵌入離子的同時(shí)，要求由主體結(jié)構(gòu)作電荷補(bǔ)償，以維持電中性。電荷補(bǔ)償可以由主體材料能帶結(jié)構(gòu)的改變來實(shí)現(xiàn)，電導(dǎo)率在嵌入前后會(huì)有變化。鋰離子電池電極材料可穩(wěn)定存在于空氣中與其這一特性息息相關(guān)。嵌入化合物只有滿足結(jié)構(gòu)改變可逆并能以結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)電荷變化才能作為鋰離子電池電極材料。

本文將討論有關(guān)鋰離子電池方面的一些潛在發(fā)展趨勢，并介紹便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)師如何利用受微控制器(MCU)控制的脈沖寬度調(diào)制(PWM)或者基于單獨(dú)的集成式電池充電管理控制器的解決方案設(shè)計(jì)靈活的鋰離子電池充電管理系統(tǒng)來克服這些挑戰(zhàn)。

采用鋰離子電池的便攜式設(shè)備供電設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

采用鋰離子電池的便攜式設(shè)備供電設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)包括但不限于：供電安全，電池化學(xué)特性，可用空間和所需的性能。便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在決策時(shí)必須傾其所有的知識和經(jīng)驗(yàn)來克服每個(gè)可能出現(xiàn)難題。對于可重復(fù)充電的鋰離子電池來說，還必須考慮充電/放電速率、壽命周期、維護(hù)和充電算法。為了實(shí)現(xiàn)每次充電后電池容量的最大化，充電電壓調(diào)節(jié)精度非常重要。如圖1所示，欠充0.6%的電池會(huì)導(dǎo)致5%的容量損失。但是又不能過充電，因?yàn)檫@是極其危險(xiǎn)的。某些電池生產(chǎn)商，例如日本松下公司，建議將4.2V的電池充電到4.1V,以延長其在電能備份應(yīng)用中的壽命。

圖1：鋰離子電池的容量損失與欠充電壓的關(guān)系。

產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)通常與面市時(shí)間、總體系統(tǒng)成本以及可靠性有關(guān)。其中面市時(shí)間對絕大多數(shù)消費(fèi)類產(chǎn)品來說是至關(guān)重要的，因?yàn)楫a(chǎn)品的壽命周期很短。在如今快速發(fā)展的世界里對市場的快速反應(yīng)能力很重要。從概念到形成最終產(chǎn)品的時(shí)間越短，意味著消耗的資源越少，并能通過節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間來降低成本。不過，通過提高集成度來節(jié)省空間的解決方案通常會(huì)比分離元器件解決方案的成本高一些，但也并非都是如此。因此在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)可靠性應(yīng)始終放在首要位置，如果性能可以折中的話。

MCU+PWM控制器充電管理系統(tǒng)

MCU(Micro Control Unit)中文名稱為微控制單元，又稱單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer)或者單片機(jī)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。微控制器在經(jīng)過這幾年不斷地研究，發(fā)展，歷經(jīng)4位，8位，到現(xiàn)在的16位及32位，甚至64位。產(chǎn)品的成熟度，以及投入廠商之多，應(yīng)用范圍之廣，真可謂之空前。目前在國外大廠因開發(fā)較早，產(chǎn)品線廣，所以技術(shù)領(lǐng)先，而本土廠商則以多功能為產(chǎn)品導(dǎo)向取勝。但不可諱言的，本土廠商的價(jià)格戰(zhàn)是對外商造成威脅的關(guān)鍵因素。

如果產(chǎn)品開發(fā)中對靈活度比較側(cè)重，在項(xiàng)目開發(fā)過程中可能作出修改，那么對于這樣的應(yīng)用來說，采用由MCU控制的PWM控制器電池充電管理系統(tǒng)是非常理想的。

圖2：典型的基于MCU+PWM控制器的多電池單元多化學(xué)材料的充電管理應(yīng)用電路。

圖2給出了采用典型的單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多個(gè)電池單元、多種化學(xué)成分的充電管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了MCP1631高壓PWM(零件號MCP1631HV)和PIC12F683通用MCU.一些先進(jìn)的MCU可以提供更多的GPIO和ADC,從而增加檢測和輸出狀態(tài)。SEPIC采用的是一種開關(guān)型拓?fù)?，因而在輸入和輸出電壓差較大且電流較大時(shí)可以提供更高的效率和更低的功耗。例如，當(dāng)工作在輸入電壓為9V、VBAT為4V、ICHARGE為1A時(shí)，常規(guī)的線性解決方案的功耗是(9V-4V)x1A=5W,然而效率為90%的開關(guān)解決方案在同樣條件下功耗僅為4Wx(0.1/0.9)=.44W.對1/2瓦進(jìn)行散熱顯然要比對5瓦進(jìn)行散熱容易得多。下列等式給出了上述例子中線性和開關(guān)電源的計(jì)算方法。

圖3就是受MCU控制的PWM控制器采用恒流/恒壓(CC-CV)算法以1A充電速率給單節(jié)1700mA鋰離子電池充電時(shí)的典型充電曲線。算法開始的前提條件是電池電壓是否低于預(yù)處理門限。一旦超過了這個(gè)預(yù)處理門限，系統(tǒng)就進(jìn)入恒流充電階段，直到檢測到穩(wěn)定的電壓。本例中充電結(jié)束值為200毫安。接下來系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)測電池電壓，并在電壓低于再充電門限時(shí)對電池進(jìn)行放電，從而有效限制充放電循環(huán)的次數(shù)，延長電池的使用壽命，同時(shí)使電壓保持在安全水平。

圖3：典型的具有CC/CV算法充電曲線的MCU+PWM控制器。