鋰電池充電器及其系統(tǒng)優(yōu)化

小型低成本上網(wǎng)本、超便攜 PC (UMPC) 和移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 (MID) 正變得越來越流行，并得到了用戶的廣泛認可。這些便攜設(shè)備中使用的鋰離子 (Li-Ion) 電池充電系統(tǒng)比移動電話中使用的鋰離子電池充電系統(tǒng)要復(fù)雜得多。理解其電池充電器的諸多要求成為提高系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵。本文將討論鋰離子電池充電的許多要求，如：充電系統(tǒng)安全性和充電器與系統(tǒng)之間的性能優(yōu)化等，還介紹了一個同步開關(guān)獨立電池充電器IC控制器設(shè)計實例，它擁有動態(tài)電源管理功能，用于優(yōu)化上網(wǎng)本應(yīng)用的適配器額定功率和對電池快速充電。

上網(wǎng)本是小型、輕便和低價筆記本電腦的一種快速衍生品，主要用于一般計算和訪問網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。大多數(shù)上網(wǎng)本均使用Intel Atom 微處理器以及2～3塊串聯(lián)鋰離子電池組。

超便攜PC (UMPC) 擁有一個功能強大的處理器，擁有一個 具有觸摸功能的4～7英寸的顯示屏，可以運行與Windows Vista兼容的軟件。超便攜 PC 還擁有全球定位系統(tǒng) (GPS) 設(shè)備、指紋識別器、TV 調(diào)諧器以及存儲卡讀卡器等。它由2～3 塊串聯(lián)鋰離子電池組供電。

移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 (MID) 是一種具有多媒體功能的手持式電腦，可以提供無線網(wǎng)絡(luò)訪問，具有雙向通信和實時共享功能，專為向個人(非企業(yè)用戶)提供娛樂、資訊和定位服務(wù)而設(shè)計。MID 的外形尺寸比智能電話大，但比 UMPC 小，通常使用一個鋰離子電池組供電。

動態(tài)電源管理

電池充電電壓和電流對電池使用壽命和電池容量至關(guān)重要。電池充電電壓越高，電池容量也就越高。這些便攜設(shè)備因其微處理器功耗很低，需要的總功耗低于筆記本電腦，所用的電源適配器功率一般在 40 瓦以下，而筆記本電腦通常使用 60 瓦和 90 瓦的適配器。但是，仍然要求這種適配器在給電池充電的同時為系統(tǒng)供電，從而最小化適配器額定功率。由于微處理器的高脈動功率特性，電池充電以及為微處理器提供最大功率所要求的總功率輕易便超出了適配器的最大可用功率。

為了優(yōu)化系統(tǒng)和電池充電器，我們通過引入最大適配器電流調(diào)節(jié)環(huán)路使用了動態(tài)電源管理 (DPM) 功能。如果輸入適配器電流達到了調(diào)節(jié)閾值，則電池充電器自動降低有效充電電流，同時優(yōu)先為系統(tǒng)供電，以使其不超出適配器的最大功率極限。在為系統(tǒng)供電以后，剩余功率用于對電池充電。一旦脈沖功率終止，充電器便自動恢復(fù)最快充電模式，以縮短充電時間(圖1)。一種重要的規(guī)范是輸入電流調(diào)節(jié)精度。輸入電流調(diào)節(jié)精度越高，適配器提供的功率越多，同時電池充電的速度也就越快。

圖 1 動態(tài)電源管理的電池充電結(jié)構(gòu)圖

計算系統(tǒng)和電池充電器安全性

a、適配器輸入和電池過壓保護 (OVP)

就筆記本電腦而言，一般使用19-V和16-V的適配器，而5-V 適配器則普遍用于智能電話。上網(wǎng)本、UMPC和MID通常使用這些適配器來節(jié)省開發(fā)成本，但其往往不要求19V 適配器對1到3節(jié)串聯(lián)電池組充電。此外，IEEE P1725 要求系統(tǒng)包括輸入適配器和電池 OVP。如果這些便攜式設(shè)備遇到過輸入電壓，則其會阻止您開啟系統(tǒng)。如果電池過充，則立即關(guān)閉電池充電器。如果出現(xiàn)逆向適配器電壓，也不能開啟系統(tǒng)。

b、電池充電安全性

在極低或極高電池溫度條件下對鋰離子電池充電是很危險的。當電池在4.3V溫度達到 175oC 時，LiCoO2 負極材料的鋰離子電池可能會爆炸。已發(fā)布的許多工業(yè)電池充電器安全規(guī)定(例如：日本電子和信息技術(shù)行業(yè)協(xié)會 (JEITA) 等)通過減少低或高電池溫度下的電池充電電流和電壓來達到電池安全充電的目的。

要開始充電過程，一般電池充電溫度范圍在 0oC ～40oC 之間。因此，必須通過電量監(jiān)測計或充電器來監(jiān)測電池溫度。電池充電系統(tǒng)失效時，安全定時器是另一層保護。當安全定時器終止時，電池便停止充電。

c、電池充電器輸出短路和過充電流保護

對于一些計算應(yīng)用來說，最為常用的鋰離子電池是具有 2200-2600mAh 容量的 18650 鋰離子電池。12-V 或 19-V 適配器在 0.7oC 充電率情況下，充電電流約為 2-4A。高效充電要求同步開關(guān)降壓型拓撲。其還要求在出現(xiàn)元件故障或非正常運行狀態(tài)(例如：充電器輸出短路或電感短路等)時有一個無煙充電系統(tǒng)。充電器需要有此類保護機制來防止起火或冒煙。

上網(wǎng)本、UMPC 和 MID 的電池充電器解決方案

根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化和安全要求，圖2顯示了一款適用于上網(wǎng)本應(yīng)用且具有動態(tài)電源管理功能的獨立型高效同步開關(guān)鋰離子電池充電器。這種設(shè)計示例使用200mA預(yù)充電電流和2A快速充電電流以及 3 小時安全定時器來對2節(jié)鋰離子電池充電。通過監(jiān)測輸入電流感應(yīng)電阻R1兩端的壓降實現(xiàn)DPM功能。同步開關(guān)充電器以600kHz 的開關(guān)頻率工作，以優(yōu)化效率和解決方案尺寸。外部電阻分壓器R11和R12用于設(shè)置理想的電池充電電壓。要想獲得最大的電池容量，請將外部電阻分壓器設(shè)置為每節(jié)電池 4.2V 的充電電壓。

如欲獲得最長電池使用壽命，請將電池充電電壓設(shè)置為每節(jié)電池4.1V。通過讓外部功率 MOSFET 適合于許多沒有主控制器的不同電池充電應(yīng)用，這種情況可以將1到6節(jié)鋰離子串聯(lián)電池充至10A。其還擁有其他保護功能，例如：輸入過壓、電池充電過壓、電池短路、過充電電流保護等，并自動監(jiān)測電池溫度，以達到安全充電的目的。

圖2 上網(wǎng)本充電器設(shè)計實例

隨著便攜式計算設(shè)備的發(fā)展，其擁有了更多的特性，這時電池充電和系統(tǒng)設(shè)計便成為獲得高安全和高性能系統(tǒng)最重要的設(shè)計因素。

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