充電電路沒有簡(jiǎn)單事，淺談如何執(zhí)行高效率設(shè)計(jì)

　　圖2：鋰離子電池化學(xué)技術(shù)充電曲線。

　　開關(guān)模式與線性充電拓?fù)涞膶?duì)比

　　傳統(tǒng)上來說，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)捷以及無高頻開關(guān)的無噪聲運(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)人員無法管理設(shè)計(jì)的散熱問題，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)間過長(zhǎng)。

　　這就是開關(guān)模式拓?fù)溆杏梦渲氐脑颉ｉ_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，電源開關(guān)（或多個(gè)開關(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關(guān)損耗（在電源開關(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)人們聽到開關(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說明了當(dāng)今市場(chǎng)上已開始銷售的此類解決方案。該硅芯片的尺寸不到4mm2，其集成了高側(cè)和低側(cè)PowerFET。由于采用了3MHz開關(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：2mmx2.5mmx1.2mm（WxLxH）。　　應(yīng)用新型充電方案，提高鋰電子電池的充電安全

　　鋰離子電池以其能量密度高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在手機(jī)、筆記本電腦市場(chǎng)已經(jīng)完全取代其他電池，占有率幾乎達(dá)到了100%。目前，鋰電池正迅速延伸至電動(dòng)工具及其他的應(yīng)用中，它廣闊的市場(chǎng)前景也越來越得到業(yè)界的認(rèn)同。不過，與鎳氫、鎳鎘、鉛酸電池相比，要更快地推動(dòng)鋰離子電池的應(yīng)用和發(fā)展，還必須不斷提高它的安全性和使用壽命。本文將從充電器角度，討論一種新型的充電解決方案以提高鋰電池的安全性，延長(zhǎng)電池使用壽命，同時(shí)降低充電器的成本。

　　在使用電池的過程中，我們常會(huì)聽到電池業(yè)者這樣的一句話：“電池使用中壞的少，更多的是被充壞的”。這句話我們可以理解為，不正確的充電條件或方法將更容易損害電池、降低電池的壽命。以18650鈷酸鋰離子電池為例，當(dāng)充電過溫，在70℃左右：電解質(zhì)界面（SEI）模開始分解并發(fā)熱；120℃左右：電解質(zhì)、正極開始熱分解，造成析氣并使溫度迅速上升；在到260℃左右：電池爆炸?；虺潆娺^壓，以過壓5.5V來看，容易使鋰金屬析出，溶劑被氧化，溫度上升，產(chǎn)生惡性循環(huán)，甚至電池著火、爆炸。因此，針對(duì)如何充電，我們共同來探討下面幾個(gè)重要的問題。

　　為什么需要預(yù)充功能？

　　電池工作電壓從2.5V（碳負(fù)極電池：3V，電量為0%）到4.2V（電量為100%）。當(dāng)電壓小于2.5V時(shí)，電池放電終止。同時(shí)因?yàn)榉烹娀芈逢P(guān)閉使內(nèi)部保護(hù)電路的電流損耗也降為最低。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中由于不同的內(nèi)部材質(zhì)，放電終止電壓可在2.5V-3.0V范圍。當(dāng)電壓超過4.2V時(shí)，充電回路終止，以保護(hù)電池安全；而當(dāng)單體電池工作電壓降到3.0V以下，我們即可認(rèn)為過放電狀態(tài)，放電回路終止，以保護(hù)電池安全。所以電池不用時(shí)，應(yīng)將電池充電 20%的電量，再進(jìn)行防潮保存。

　　由于鋰離子電池具有較高的能量比，因此在電池使用中要嚴(yán)格避免過充，過放的現(xiàn)象。過放會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，此時(shí)如果直接進(jìn)入快速?zèng)_電模式 （大電流），會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生損害，影響使用壽命并可能因此帶來安全隱患。先以小電流（C/10）充到2.5V至3.0V，再轉(zhuǎn)換成快充是必要的。

　　雖然目前鋰離子電池在應(yīng)用中都帶有保護(hù)板，在通常的情況下，發(fā)生過放的幾率會(huì)很小，但不加預(yù)充功能，在這兩種情況下的情況還是可能帶來過放的隱患。一是保護(hù)板失效，二是長(zhǎng)時(shí)間放置（5%-10%/月）的自放電率。因此小電流預(yù)充可以有效解決過放電池的充電問題。

　　但是，充電電流并非越大越好。以單體鋰離子電池為例，它的充電方式都包括恒流、恒壓充電過程，恒壓通常為4.2V（以LiCoO2電池為例），恒流設(shè)置值為0.1C～1C。雖然大電流的充電會(huì)縮短充電時(shí)間，但也會(huì)造成電池生命周期的縮短和容量的降低，因此我們需選擇恰當(dāng)?shù)暮懔髦颠M(jìn)行充電。

　　下面是一個(gè)4.2V/900mAH LiCoO2電芯的不同電流充電與電池容量的關(guān)系曲線（圖1），我們可以看出大約500個(gè)充放周期后，小電流充電的電池容量明顯大于大電流充電的電池容量。

　　恒壓充電時(shí)的電壓精度要求

　　作為高能量密度電池，過充會(huì)對(duì)鋰離子電池造成很大的危害，有可能會(huì)膨脹漏液甚至發(fā)生爆炸。而且過充容易造成電池里面的電解物質(zhì)加快反應(yīng)而造成電池的使用壽命減短，因此準(zhǔn)確的恒壓值充電對(duì)鋰離子電池的使用壽命而言有著重要的意義。

　　為了更充分地充滿電，要保證恒壓值和終止電壓值的精度在1%之內(nèi)。以鈷酸鋰離子電池為例，最好能盡可能接近4.2V，但又不超過4.2V，這種高精度的電壓充電法，可以減少鈷的溶解，穩(wěn)定LiCoO2的層狀結(jié)構(gòu)，使它的包覆不發(fā)生相變，提高循環(huán)性能，并保持高容量。此外，即使輕微的過壓也會(huì)帶來兩個(gè)現(xiàn)象的改變，電池初始容量減小和電池循環(huán)壽命降低。

　　在多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的情況下，為保證獲到最大的電池容量和壽命，因此有時(shí)甚至要求精度達(dá)到0.5%以內(nèi)。所以說，充電電壓的精度控制是鋰離子電池充電器的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

　　目前人們對(duì)鋰電池充電電壓有這樣一個(gè)誤解，認(rèn)為有了電池保護(hù)板，在電壓精度上不必關(guān)心，這是不可取的。因?yàn)殡姵乇Ｗo(hù)板目的是用于對(duì)可能的意外事故進(jìn)行及時(shí)的保護(hù)，它考慮的比較多的是安全因素，而不是性能因素。比如以4.2V的電芯為例，保護(hù)板的過壓保護(hù)參數(shù)是4.30V（有的可能會(huì)要 4.4V），假如每次都過充，以4.30V作為充電截止點(diǎn)，電池容量也會(huì)很快衰減的。

　　為什么需要充電