提高便攜式設(shè)備鋰離子電池的充電效率

　　功能整合以及不斷縮小的外形尺寸在過(guò)去幾年風(fēng)靡一時(shí)，進(jìn)而帶動(dòng)手機(jī)、PDA、以及便攜式 DVD 播放器等便攜式設(shè)備的市場(chǎng)需求大幅增長(zhǎng)。然而電源卻很快成為技術(shù)進(jìn)步的瓶頸，電池供電密度的提升腳步也無(wú)法跟上需求的節(jié)拍。鋰離子 (Li-ION) 電池?zé)o論就重量還是體積而言都有很高的能量密度，因此在市場(chǎng)上應(yīng)用極為廣泛。為了延長(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間并縮小外形尺寸，越來(lái)越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)利用先進(jìn)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)提高系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換效率的做法已無(wú)法解決問(wèn)題，電池充電已成為擴(kuò)大電池容量和延長(zhǎng)電池使用壽命的另一重要方案。線性充電器的成本合理、外形尺寸小巧，非常適用于低容量電池充電的應(yīng)用；但隨著便攜式設(shè)備對(duì)功耗要求的不斷提高，由于線性電池充電器功耗較高，因此已不能充分滿足充電需求。本文將介紹一款 MHz 同步開(kāi)關(guān)電池充電器，并說(shuō)明有效充電并延長(zhǎng)電池使用壽命的設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)。

　　鋰離子電池的充電

　　圖 1 是業(yè)界最常用的鋰離子電池的充電曲線，大部分專(zhuān)用的鋰離子電池充電集成電路 (IC) 都是通過(guò)上述方式進(jìn)行充電。鋰離子電池的充電過(guò)程可分為三個(gè)階段：預(yù)充電、恒流 (CC) 快速充電、和恒壓 (CV) 終端 (termination) 充電。充電器在預(yù)充電階段會(huì)以低速率（通常為快速充電速率的1/10）對(duì)電池進(jìn)行充電，這時(shí)的電池電壓低于 3.0V。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈍化層的恢復(fù)（鈍化層在深度放電狀態(tài)下存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)分解）。除此之外，當(dāng)電池過(guò)度放電時(shí)在陽(yáng)極短路的電池上會(huì)發(fā)生部分銅分解，此時(shí)若以 1C 電流進(jìn)行充電就會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱，預(yù)充電階段則能避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。等到電池電壓達(dá)到 3.0V 后，充電器就會(huì)進(jìn)入恒流快速充電階段。

　　快速充電電流不應(yīng)超過(guò) 1C 速率（0.7℃ 速率）以避免電池過(guò)熱及因而造成的加速劣化現(xiàn)象。不過(guò)，為高功率容量設(shè)計(jì)的電池則可承受較高的充電速率。應(yīng)當(dāng)合理選擇充電速率，以保證電池溫度在充電結(jié)束時(shí)不超過(guò) 50℃。在進(jìn)入快速充電階段后，電池會(huì)持續(xù)快速充電直到電池達(dá)到穩(wěn)壓限制值（每節(jié)電池通常為 4.2V，不過(guò)碳陽(yáng)極鋰離子電池為 4.1V）。然后，在充電電流以指數(shù)方式降低到預(yù)定義終端電平時(shí)，電池充電器開(kāi)始調(diào)節(jié)電池電壓并且進(jìn)入 CV 階段。輸出穩(wěn)壓精度對(duì)于電池容量最大化和延長(zhǎng)電池使用壽命都很重要。電池穩(wěn)壓精度太差有可能會(huì)導(dǎo)致電池充電不足，使得電池容量銳減。例如充電電壓不足 1% 電壓就會(huì)導(dǎo)致電池容量減少 8%。另一方面，電池穩(wěn)壓精度太差也可能導(dǎo)致電池過(guò)度充電從而縮短電池使用壽命。為了確保鋰離子電池的充電安全，開(kāi)始充電時(shí)的環(huán)境溫度必須在 0℃ 到 45℃ 之間。在更低溫度下進(jìn)行充電會(huì)形成更多金屬鋰，這會(huì)導(dǎo)致電池阻抗增加與電池劣化。另一方面，在較高溫度下進(jìn)行充電則會(huì)增加鋰離子與電解液的反應(yīng)而加速電池劣化。這些問(wèn)題促使市場(chǎng)需要更精確、更高效、和更安全的便攜式設(shè)備電池充電解決方案。