鋰離子電池充電系統(tǒng)的差異與選擇

　　為進一步減小線性解決方案的尺寸、降低其成本和復雜性，許多外部元器件都可以集成到充電管理控制器中。先進的封裝可以提供更高的集成度，當然也會犧牲一定的靈活性。此類封裝需要先進的生產設備，許多情況下避免了返工。通常會集成充電電流檢測、傳輸晶體管以及反向放電保護。此外此類充電管理控制器還會實現(xiàn)一定的熱調節(jié)功能。熱調節(jié)功能可根據器件管芯溫度來限制充電電流，從而可在保證器件可靠性的情況下優(yōu)化充電周期時間，熱調節(jié)功能大大降低了散熱設計的工作量。

　　基于Microchip MCP73861的全集成線性解決方案如圖4所示。MCP73861包含了MCP73843的所有功能，另外還包括電流檢測、傳輸晶體管、反向放電保護以及電池溫度監(jiān)測。

　　充電周期波形

　　利用MCP73843在1C和0.5C恒流充電速率下的整個充電周期如圖5。以0.5C而不是1C速率充電時，充電結束的時間大約晚了一個小時。MCP73843在快速充電過程中會按充電電流成比例地縮減充電終止電流。結果是充電時間延長36%，好處則是電池容量增加2%，同時還減少了功率損耗。充電終止電流從0.07C降到0.035C，使得最終電池容量從~98%增長到~100%。系統(tǒng)設計師必須在充電時間、功率損耗和可用電池容量之間進行權衡。

　　開關式充電解決方案

　　輸入電壓波動范圍寬或輸入輸出電壓差大的應用通常采用開關式充電解決方案。此類應用中，開關式解決方案的優(yōu)點體現(xiàn)在可以提高效率，缺點則是系統(tǒng)復雜、尺寸相對較大且成本較高。例如應用中需要利用汽車適配器以0.5C或1C的恒定電流對一個2200mAh的單節(jié)鋰離子電池充電，由于散熱等問題，利用線性解決方案實現(xiàn)極為困難，當然也可以采用支持熱調節(jié)的線性解決方案，但降低充電電流造成的充電周期延長是無法接受的。

　　成功設計開關式充電解決方案的第一步是選擇設計結構：降壓式、升壓式、升/降壓式、反激式、單端初級電感式（SEPIC）或者其他形式。根據輸入和輸出要求以及經驗，可以迅速將適用于該應用的選擇范圍縮小為兩種結構：降壓式還是SEPIC式。降壓式轉換器的優(yōu)點是僅需要一個電感，而缺點是需要額外的二極管用于反向放電保護、高端柵極驅動和電流檢測，以及脈沖式輸入電流（會導致EMI）。SEPIC拓撲結構的優(yōu)點是低端柵極驅動和電流檢測、持續(xù)輸入電流以及輸入和輸出間的直流隔離，其主要缺點是需要兩個電感和一個能量傳輸電容。

　　MCP1630是一款可配合單片機使用的高速脈寬調制器(PWM)，配合單片機，MCP1630可控制電源系統(tǒng)占空比，提供輸出電壓或電流穩(wěn)定功能。PIC16F684單片機可用于輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流，以及開關頻率和最大占空比的調整。MCP1630產生占空比，并可根據不同外部輸入提供快速過流保護。外部信號包括輸入振蕩器、參考電壓、反饋電壓和電流檢測。輸出信號是一個方波脈沖。充電器采用的電源結構是SEPIC。單片機提供了極大的設計靈活性。此外單片機還可以與電池包內的電池監(jiān)控器（Microchip的PS700）通信，從而大大縮短充電周期時間。

　　充電周期波形

　　利用開關式充電解決方案的整個充電周期如圖6所示。通過在充電系統(tǒng)中采用電池監(jiān)控器，可以大大縮短充電周期，使用電池監(jiān)控器就不必再檢測電池包保護電路兩端的電壓以及充電電流的接觸電阻。

　　結論

　　在目前的便攜式產品中，要正確地實現(xiàn)電池充電需要仔細地設計考慮。本文討論了鋰離子電池的線性和開關式充電解決方案，本文所探討的指導原則和設計考慮要素，實際上也是所有電池充電系統(tǒng)設計都需要考慮的。