如何尋求電池與充電管理中的最佳平衡點

引言

便攜式電子設(shè)備設(shè)計人員可以選擇各種各樣的化學技術(shù)、充電器拓撲以及充電管理解決方案。選擇一款最為合適的解決方案應(yīng)該是一項很簡單的工作，但是在大多數(shù)情況下這一過程頗為復雜。設(shè)計人員需要在性能、成本、外形尺寸以及其他關(guān)鍵要求方面找到一個最佳平衡點。本文將為廣大設(shè)計人員和系統(tǒng)工程師提供一些指導和幫助以使得該選擇工作變得更為輕松。

以 3 “C”開始實現(xiàn)充電控制

所有使用可充電電池的系統(tǒng)設(shè)計人員都需要清楚一些基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)，以確保滿足下面三個關(guān)鍵的要求：

1、電池安全性: 毋庸置疑，終端用戶安全是所有系統(tǒng)設(shè)計中最優(yōu)先考慮的問題。大多數(shù)鋰離子 (Li-Ion) 電池組和鋰聚合物 (Li-Pol) 電池組都含有保護電子電路。然而，還有一些系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵因素。其中包括但不局限于確保在鋰離子電池充電最后階段期間 ±1% 的穩(wěn)壓容限、安全處理深度放電電池的預處理模式、安全計時器以及電池溫度監(jiān)控。

2、電池容量：所有的電池充電解決方案都要確保在每一次和每一個充電周期都能將電池容量充至充滿狀態(tài)。過早的終止充電會導致電池運行時間縮短，這是當今高功耗的便攜式設(shè)備所不希望的。

3、電池使用壽命：遵循建議的充電算法是確保終端用戶實現(xiàn)每個電池組最多充電周期的重要一步。利用電池溫度和電壓限定每一次充電、預處理深度放電電池并避免過晚或非正常充電終止是最大化電池使用壽命所必須的一些步驟。

表1：充電控制總結(jié)。

電池化學技術(shù)的選擇

現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計人員可以在多種電池化學技術(shù)中進行選擇。設(shè)計人員通常會根據(jù)下面的一些標準進行電池化學技術(shù)的選擇，其中包括：

* 能量密度

* 規(guī)格和外形尺寸

* 成本

* 使用模式和使用壽命

近年來，盡管使用鋰離子電池和鋰聚合物電池的趨勢增強，但是 Ni 電池化學技術(shù)仍然是諸多消費類應(yīng)用一個不錯的選項。

無論選擇何種電池化學技術(shù)，遵循每一種電池化學技術(shù)的正確充電管理技術(shù)都是至關(guān)重要的。這些技術(shù)將確保電池在每一次和每個充電周期都能被充至最大容量，而不會降低安全性或縮短電池使用壽命。

NiCd/NIMH

在一個充電周期開始之前，并且盡可能在開始快速充電之前對鎳鎘 (NiCd) 電池和鎳氫 (NiMH) 電池必須要進行檢驗和調(diào)節(jié)。如果電池電壓或溫度超出了允許的極限是不允許進行快速充電的。出于安全考慮，對所有“熱”電池（一般高于 45℃）的充電工作都會暫時終止，直到電池冷卻到正常工作溫度范圍內(nèi)才會再次運轉(zhuǎn)。要想處理一個“冷”電池（一般低于 10℃）或過度放電的電池（每節(jié)電池通常低于 1V），需要施加一個溫和的點滴式電流。

當電池溫度和電壓正確時快速充電開始。通常用 1C 或更低的恒定電流對 NiMH 電池進行充電。一些 NiCd 電池可以用高達 4C 的速率進行充電。采用適當?shù)某潆娊K止來避免有害的過充電。

就鎳基可充電電池而言，快速充電終止基于電壓或溫度。如圖 1 所示，典型的電壓終止方法是峰值電壓探測，在峰值時即每個電池的電壓在 0～-4mV 范圍內(nèi)，快速充電被終止?；跍囟鹊目焖俪潆娊K止方法是觀察電池溫度上升率 來探測完全充電。典型的 率為 1℃/每分鐘。

圖1：鎳電池化學技術(shù)的充電曲線。

鋰離子/鋰聚合物電池

與 NiCd 電池和 NiMH 電池相類似，在快速充電之前盡可能檢驗并調(diào)節(jié)鋰離子電池。驗證和處理方法與上述使用的方法相類似。

如圖 2 所示，驗證和預處理之后，先用一個 1C 或更低的電流對鋰離子電池進行充電，直到電池達到其充電電壓極限為止。該充電階段通常會補充高達 70% 的電池容量。然后用一個通常為 4.2V 的恒定電壓對電池進行充電。為將安全性和電池容量，必須要將充電壓穩(wěn)定在至少 ±1%。在此充電期間，電池汲取的充電電流逐漸下降。就 1C 充電率而言，一旦電流電平下降到初始充電電流的 10～15% 以下充電通常就會終止。

圖2：鋰離子電池化學技術(shù)充電曲線。

開關(guān)模式與線性充電拓撲的對比

傳統(tǒng)上來說，手持設(shè)備都使用線性充電拓撲。該方法具有諸多優(yōu)勢：低實施成本、設(shè)計簡捷以及無高頻開關(guān)的無噪聲運行。但是，線性拓撲會增加系統(tǒng)功耗，尤其是當電池容量更高引起的充電率增加的時候。如果設(shè)計人員無法管理設(shè)計的散熱問題，這就會成為一個主要缺點。

當 PC USB 端口作為電源時，則會出現(xiàn)其他一些缺點。當今在許多便攜式設(shè)計上都具有 USB 充電選項，并且都可提供高達 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?，從而導致了充電時間過長。

這就是開關(guān)模式拓撲有用武之地的原因。開關(guān)模式拓撲的主要優(yōu)勢在于效率的提高。與線性穩(wěn)壓器不同，電源開關(guān)（或多個開關(guān)）在飽和的區(qū)域內(nèi)運行，其大大降低了總體損耗。降壓轉(zhuǎn)換器中功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。

當人們聽到開關(guān)模式這個術(shù)語時大多數(shù)人都會想到大型 IC、大 PowerFET 以及超大型電感! 事實上，雖然對于處理數(shù)十安培電流的應(yīng)用而言確實是這樣，但是對于手持設(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 說明了當今市場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小型 1μH 電感， 其外形尺寸僅為：2×2.5×1.2mm (WxLxH)。

充電器的選擇

電池充電器工具使得設(shè)計人員選擇正確的充電器的過程更輕松。圖 3 是 TI 網(wǎng)站上提供的一種工具的示例。

圖3：電池充電器選擇工具。