應(yīng)用好便攜式電子設(shè)備的電池技術(shù)

如今的便攜式電子設(shè)備中電池技術(shù)包括電量檢測(cè)算法、電池充電算法與電池充電技術(shù)等幾個(gè)方面。眾所周知，充電式電池化學(xué)反應(yīng)有鎳鎘、鎳氫、鋰離子和鋰聚合物4種程式，作為便攜式電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，雖然這4種電池程式各有特點(diǎn)，但從能量密度與安全性角度的發(fā)展與實(shí)踐可知，鋰離子電池和鋰聚合物電池的優(yōu)勢(shì)己成為小型長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的設(shè)備的理想之選，比如筆記本電腦以及基于硬盤(pán)的PMP等。對(duì)便攜式電子設(shè)備工程師來(lái)說(shuō)，正確選擇與應(yīng)用好便攜式電子設(shè)備中電池技術(shù)至關(guān)重要，值此本文將對(duì)此作研討，并作應(yīng)用舉例分析。

　　1、關(guān)于細(xì)流充電、快速充電和穩(wěn)定充電的電池充電算法

　　根據(jù)最終應(yīng)用的能量需求，一個(gè)電池組可能包含最多4個(gè)鋰離子或鋰聚合物電池芯，其配置可有多種變化，同時(shí)帶有一個(gè)主流的電源適配器：直接的適配器、USB接口或汽車(chē)充電器。除去電芯數(shù)量、電芯的配置或電源適配器類(lèi)型上的差別，這些電池組都有同樣的充電特性。因此它們的充電算法也一樣。鋰離子與鋰聚合物電池最好的充電算法可以分為3個(gè)階段：細(xì)流充電、快速充電和穩(wěn)定充電。

　　1.1 細(xì)流充電

　　用于對(duì)深度放電的電芯進(jìn)行充電。當(dāng)電芯電壓在低于大約2.8V時(shí)，用一個(gè)恒定的0.1C的電流為它充電。

　　1.2 快速充電

　　電芯電壓超過(guò)細(xì)流充電的門(mén)檻時(shí)，提高充電電流進(jìn)行快速充電?？焖俪潆婋娏鲬?yīng)低于1.0C。

　　1.3 穩(wěn)定電壓

　　在快速充電過(guò)程中，一旦電芯電壓達(dá)到4.2V，穩(wěn)定電壓階段就開(kāi)始了。這時(shí)可通過(guò)最小充電電流或定時(shí)器或這兩者的聯(lián)合來(lái)中斷充電。當(dāng)最小電流低于大約0.07C時(shí)，可中斷充電。定時(shí)器則要靠一個(gè)預(yù)設(shè)的定時(shí)器來(lái)觸發(fā)中斷。

　　高級(jí)的電池充電器通常帶有附加的安全功能。比如，如果電芯溫度超出給定窗口，通常是0℃--45℃，充電就會(huì)暫停。

　　除去某些非常低端的設(shè)備，現(xiàn)在市面上的鋰離子/鋰聚合物電池充電方案都集成或是帶有外置的元件，以便按照充電特性進(jìn)行充電，這不光是為了取得更佳充電效果，同時(shí)也是為了安全。

　　1.4 鋰離子/聚合物電池的充電算應(yīng)用舉例-雙輸入1.2A鋰電池充電器LTC4097

　　LTC4097可用于交流適配器或USB電源為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電。圖1為雙輸入1.2A鋰電池充電器LTC4097示意圖。它采用恒定電流/恒定電壓算法充電，從交流適配器電源充電時(shí)，可編程充 電電流高達(dá)1.2A，而用USB電源則可高達(dá)1A，同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)在每個(gè)輸入端是否存在電壓。該器件還提供USB限流。應(yīng)用包括PDA、MP3播放器、數(shù)碼 相機(jī)、輕型便攜式醫(yī)療和測(cè)試設(shè)備以及大彩屏蜂窩電話。其性能特點(diǎn)：無(wú)需外部微控制器終止充電；輸入電源自動(dòng)檢測(cè)和選擇；通過(guò)電阻從交流適配器輸入充電的可編程充電電流高達(dá)1.2A；通過(guò)電阻的可編程 USB充電電流高達(dá)1A；100%或20% USB充電電流設(shè)置；輸入電源存在輸出和NTC偏置（VNTC）引腳具120mA驅(qū)動(dòng)能力；NTC熱敏電阻輸入（NTC）引腳用于溫度合格的充電；預(yù)設(shè)置電池浮動(dòng)電壓具±0.6%的準(zhǔn)確度；熱調(diào)節(jié)最大限度地提高充電速率且無(wú)過(guò)熱風(fēng)LTC4097可用于交流適配器或USB電源為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電。其采用恒定電流/恒定電壓算法充電，從交流適配器電源充電時(shí)，可編程充電電流高達(dá)1.2A，而用USB電源則可高達(dá)1A，同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)在每個(gè)輸入端是否存在電壓。該器件還提供USB限流。應(yīng)用包括PDA、MP3播放器、數(shù)碼 相機(jī)、輕型便攜式醫(yī)療和測(cè)試設(shè)備以及大彩屏蜂窩電話。

　　2、鋰離子/聚合物電池充電方案

　　鋰離子/聚合物電池的充電方案對(duì)于不同數(shù)量的電芯、電芯配置以及電源類(lèi)型還是不同的。目前主要有3種主要的充電方案：線性，Buck(降壓)開(kāi)關(guān)和SEPIC(升壓與降壓)開(kāi)關(guān)。

　　2.1 線性方案

　　當(dāng)充電器輸入電壓大于全充滿電芯加上充足凈空之后的開(kāi)路電壓時(shí)，最好用線性方案，特別是1.0C快速充電電流不比1A大太多時(shí)。比如，MP3播放器通常只有一個(gè)電芯，容量從700到1500mAh不等，滿充開(kāi)路電壓是4.2V。MP3播放機(jī)的電源通常是AC/DC適配器或者是USB接口，其輸出是規(guī)則的5V；這時(shí)，線性方案的充電器就是最簡(jiǎn)單、最有效率的方案。圖2所示為鋰離子/聚合物電池充電方案線性方案，基本結(jié)構(gòu)和線性電壓規(guī)整器一樣。

　　線性方案的充電器應(yīng)用例舉-雙輸入Li+充電器及智能電源選擇器MAX8677A MAX8677A是雙輸入U(xiǎn)SB/AC適配器線性充電器，內(nèi)置Smart Power Selector，用于由可充電單節(jié)Li+電池供電的便攜式設(shè)備。該充電器集成了電池和外部電源充電和切換負(fù)載所需的全部功率開(kāi)關(guān)，因此無(wú)需外部 MOSFET。MAX8677A理想用于便攜式設(shè)備，例如智能手機(jī)、PDA、便攜式多媒體播放器、GPS導(dǎo)航設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、以及數(shù)碼攝像機(jī)。

　　MAX8677A可以工作于獨(dú)立的USB和AC適配器電源輸入下或兩個(gè)輸入中的任意一個(gè)輸入下。當(dāng)連接外部電源時(shí)，智能電源選擇器允許系統(tǒng)不連接電池或可以與深度放電電池連接。智能電源選擇器自動(dòng)將電池切換到系統(tǒng)負(fù)載，使用系統(tǒng)未利用的輸入電源部分為電池充電，充分利用有限的USB和適配器輸入電源。所有需要的電流檢測(cè)電路，包括集成的功率開(kāi)關(guān)，均集成于片上。DC輸入電流限最高可調(diào)節(jié)至2A，而DC和USB輸入均可支持100mA、500mA和USB掛起模式。充電電流可調(diào)節(jié)至高達(dá)1.5A，從而支持 寬范圍的電池容性。MAX8677A的其他特性包括熱調(diào)節(jié)、過(guò)壓保護(hù)、充電狀態(tài)和故障輸出、電源好監(jiān)視、電池?zé)崦綦娮璞O(jiān)視、以及充電定時(shí)器。MAX8677A采用節(jié)省空間的、熱增強(qiáng)型、4mm×4mm、24引腳的TQFN封裝，規(guī)定工作于擴(kuò)展級(jí)溫度范圍(-40～+85℃)。

　　2.2 Buck(降壓)開(kāi)關(guān)方案

　　當(dāng)1.0C充電的電流大于1A，或者輸入電壓比電芯的全充滿開(kāi)路電壓高很多時(shí)，Buck或者降壓方案就是一個(gè)更好的選擇。比如，在基于硬盤(pán)的PMP中，通常使用單芯鋰離子電池，全充滿開(kāi)路電壓是4.2V，容量從1200到2400mAh不等。而現(xiàn)在PMP通常是用汽車(chē)套件來(lái)充電，它的輸出電壓在9V到16V之間。在輸入電壓和電池電壓之間比較高的電壓差(最小4.8V)會(huì)讓線性方案降低效率。這種低效率，加上大于1.2A的1C快速充電電流，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散熱問(wèn)題。為避免這種情況，就要采用Buck方案。圖3為鋰離子/聚合物電池Buck充電器方案示意圖，基本結(jié)構(gòu)同Buck(降壓)開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器完全相同。

　　2.3 SEPIC(升壓與降壓)開(kāi)關(guān)方案

　　在某些使用3個(gè)甚至4個(gè)鋰離子/聚合物電芯串聯(lián)的設(shè)備中，充電器的輸入電壓就不總是大于電池電壓。比如，筆記本電腦使用3芯鋰離子電池組，滿充開(kāi)路電壓是12．6V(4．2V x3)，容量從1800mAh到3600mAh。輸入電源要么是輸出電壓1 6V的AC/DC適配器，要么是汽車(chē)套件，輸出電壓在9V到16V之間。很顯然地，線性和Buck方案都不能為這組電池組充電。這就要用上SEPIC方案，它能在輸出電壓高于電池電壓時(shí)工作，也能在輸出電壓低于電池時(shí)工作。

3、電量檢測(cè)算法

　　許多可攜式產(chǎn)品都利用電壓測(cè)量值來(lái)估計(jì)電池剩馀電量，但是電池電壓與剩馀電量的關(guān)系卻會(huì)隨著放電率、溫度和電池老化程度而改變，使這種方法的誤差率最高可達(dá)50％。市場(chǎng)對(duì)使用時(shí)間更長(zhǎng)的產(chǎn)品需求不斷增強(qiáng)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要更加精確的解決方案。使用電量檢測(cè)計(jì)吧來(lái)測(cè)量電池充人或消耗的電量，將能夠在很寬的應(yīng)用電源級(jí)別范圍內(nèi)提供更精確的電池電量估測(cè)。

　　3.1 電量檢測(cè)算法應(yīng)用舉例之一，功能完整的單/雙電池便攜式應(yīng)用電池組設(shè)計(jì)

　　3.11 電量檢測(cè)原理

　　較好的電量檢測(cè)計(jì)至少要具備電池電壓、電池組溫度和電流、測(cè)量方法；一個(gè)微處理9a；和一套及業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的電量檢測(cè)算法。bq2650x及bq27x00是功能完整的電量檢