應對電池管理的挑戰(zhàn)

2004年5月B版

　　與某些只需簡單的電流源即可完成再充電的電池不同，鋰離子電池有著特殊的需求，為滿足需要各半導體廠商推出了種類繁多的IC。半導體業(yè)界將這些產(chǎn)品歸入“電源管理”或“電池管理”一類。盡管電池看上去象簡單的雙端器件，但用戶必須注意使用方法，才能從中汲取最大的電力。

　　在電池管理IC領(lǐng)域，每一家制造商在將功率從電源傳送給負載方面所采取的方法都不同，他們提供了大量的應用信息，以方便工程師設(shè)計出電池管理電路。本文將集中討論充電問題，關(guān)注如何管理幾種電源的供電并測量電池中的能量。

　　下面列出設(shè)計者希望電池管理IC具有的基本特性：

　　設(shè)計者希望通過外部元件及充電器IC對充電電流進行編程設(shè)定或者通過一個連接到主控微處理器或微控制器的簡單接口(如I2C)對其量值進行編程設(shè)置。一個獨立的充電器不需要動態(tài)編程能力，但若設(shè)計者計劃讓處理器控制充電操作，他們可能會希望實時動態(tài)的對電流進行設(shè)置。

　　設(shè)計者需要選擇一個充電結(jié)束電流，以便讓電池管理IC明白電池何時已經(jīng)充滿。對于鋰離子電池而言，一般在電流大致下降到其正常值10％的時候停止充電。但設(shè)計者可以選擇，譬如說，電流下降到正常值的15％來作為停止充電的極限。他們可以通過調(diào)整連接到IC引腳上的外部元件的參數(shù)值或者通過到一個處理器的接口連接來調(diào)節(jié)這一設(shè)定點。設(shè)計者還希望能選擇不同的端電壓，如4.1V 或4.2V，以照顧到不同化學原理的需要或者應付來自不同供應商的電池。

　　一路或多路充電狀態(tài)輸出可以指示充電循環(huán)進行到何種程度。這些信息一般是通過LED來顯示的，而且LED還可以指示充電器的一些其他狀態(tài)，如預充電、恒流、恒壓或者充電結(jié)束等。這些輸出還能根據(jù)情況向主控制器或者其他電路示警?？色@得的狀態(tài)指示功能取決于設(shè)計者選擇的IC型號。

　　設(shè)計者還必須考慮安全性，如果充電器IC過熱的話，它應該能讓充電終止或者切斷到電池的連接。National Semiconductor公司的便攜式電源系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)主管Bruno Kranzen推薦在設(shè)計中加入看門狗定時器?！半娐凡粦斣噲D對一個有缺陷的電池無限期的充電下去，因為這樣做會損壞電池以及由其供電的系統(tǒng)?！?/P>

　　大多數(shù)鋰離子電池組件內(nèi)帶一個熱敏電阻，這樣當電池過熱時，相應的管理IC可以中斷充電過程。舉例來說，當電路試圖對電池進行過充電或者將過大的電流灌入嚴重耗盡的電池時，就會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。在進入正常的充電循環(huán)前，耗盡的電池可能需要先以一個較低的電流(通常小于100mA)進行預充電。

(a)National Semiconductor 公司推出的新式LM3658

(b)Texas Instruments公司的bq24020DRC

　　圖1  兩種器件執(zhí)行類似的功能—從AC適配器或者USB連接處獲得電能來對鋰離子電池充電。外部的信號啟動這些充電器IC，并設(shè)定USB電流

　　圖2  鋰離子電池和外接電源通過Linear Technology LTC4055芯片與設(shè)備連接。該芯片控制電力發(fā)送的方向——到設(shè)備、到電池還是同時給兩者供電。該芯片的兩種狀態(tài)通過LED發(fā)光以指示電路的工作情況

發(fā)熱會造成損傷

　　“發(fā)熱還有另一方面的原因。” Texas Instruments公司的電源管理產(chǎn)品營銷經(jīng)理Peter Fundaro認為。一個控制FET的線性充電器會發(fā)熱，所供電的設(shè)備也會發(fā)熱，而且處于充電狀態(tài)的電池亦會發(fā)熱。發(fā)出的熱量將使溫度升高而使充電器關(guān)閉。但由于設(shè)備繼續(xù)在外電源驅(qū)動下運行，它的使用者會認為電池已經(jīng)充滿，但事實上并沒有。

　　如果想讓機器在充電的同時保持運行，那么發(fā)熱會造成一些隱患。以前沒有遇到此類問題的設(shè)計者常常要付出艱苦的努力才能弄清出現(xiàn)了什么問題、如何去解決。

　　意識到上述的基本需求，IC供應商Linear Technology、National Semiconductor、Texas Instruments以及其他廠商已經(jīng)設(shè)計出各種各樣的器件，可以讓設(shè)計者選擇如何控制便攜式裝置中的電池電源(圖1)?？晒┻x擇的范圍覆蓋了從專用的獨立電池管理IC到由處理器控制的器件等各種類型的產(chǎn)品。

　　但很多設(shè)計者并不想對充電過程進行那么多的控制，各公司為他們提供了各種獨立的、能提供多種功能的IC?！拔覀兲峁┠茏詣舆x擇電源的IC—首先是電池、然后是電池或墻上電源適配器—以確保系統(tǒng)的供電不中斷，” Gurries說?！拔覀円呀?jīng)把這種‘綜合能力’放入硬件中了?！?/P>

　　那些想通過微處理器或微控制器來進行電池管理的工程師們，必須先確保處理器能處理好其主要任務。因此設(shè)計者必須平衡好這些任務所需的資源和管理電池的電路所需資源之間的分配關(guān)系。對于完整的電池控制來說，處理器可能需要提供模擬和數(shù)字I/O引腳，在某些情況下可能還需要為電池管理電路執(zhí)行定時器和脈寬調(diào)制器功能。“設(shè)計者還必須寫出監(jiān)管電池管理任務的代碼，以監(jiān)測溫度、檢查電池充電水平等等。”TI的Fundaro先生強調(diào)。

分接若干種電源

　　無論設(shè)計者使用獨立的還是基于處理器的電池管理電路，都需要連接到外部電源上，以便對電池進行充電、或者提供輔助供電。供電方式的多樣化又帶來了另一些挑戰(zhàn)。“當便攜式設(shè)備包含一個電池和一個AC適配器或者墻上電源適配器時，最好還是在適配器供電下工作?！盕undaro說，“但若是用戶切斷了AC適配器的連接，電源系統(tǒng)必須切換到電池上，而且不能讓設(shè)備關(guān)機，這正是這些IC所能執(zhí)行的另一項功能?！?/P>

　　能依靠多種電源供電的設(shè)備中電池管理電路必須要確定：

　　“這是難以解決的問題，”Linear Technology公司的產(chǎn)品營銷工程師Tony Armstrong說。當用戶將一個典型的電池供電的系統(tǒng)連接到AC適配器上時，所有電能必須首先流經(jīng)一個線性電池充電器到電池，然后由電池來驅(qū)動系統(tǒng)。這種安排使效率降低了30％，因為很多電力浪費在充電器上。如果系統(tǒng)裝的電池已經(jīng)耗盡，電池充電器就將所獲得的大多數(shù)電力耗散掉，這些電能不會到達便攜式設(shè)備或者充入電池中?！拔覀兎Q之為充電器饋電系統(tǒng)”Armstrong說，“因為電池始終為系統(tǒng)供電，所以當你切斷連接時，你的電池并沒充滿電?！?/P>

　　另外，人們會用USB端口作為電源嗎？當然。USB端口可以發(fā)出100mA的電流，而與之相連的裝置與USB主控協(xié)商后可以汲取高達500mA的電流。對電池充電標準而言，這一電流水平看上去并不高，但如果一個USB裝置內(nèi)帶一個電池的話，它就能利用外部提供的任何電流源進行充電。因此如果有人將一個移動電話或者數(shù)碼照像機連接到一個USB端口上時，他們不用花費很大代價就可以在器件保持連接的時間里對電池進行充電。

　　National Semiconductor公司的Kranzen還補充說，“人們喜歡以一個USB來作為‘油料補給源’。他們可以利用筆記本電腦通過USB端口對移動電話、PDA或所帶的任何便攜式設(shè)備進行充電，這樣就無需在旅行的時候另外再帶個充電器了。”

保留適當?shù)碾娔?/P>

　　無論人們?nèi)绾螌σ粋€鋰離子電池進行充電，或者使用其電源，他們都想了解電池中還剩余多少電力。電池“油量計”將提供該信息，指示方式常常是條形圖或者其他的顯示器指示。精確的顯示剩余電力的情況，可以盡可能地延長用戶使用其便攜式設(shè)備的時間。這種電量計具有的獨特優(yōu)勢在于：對剩余電力的精確測量可以讓設(shè)備以適當?shù)姆绞疥P(guān)閉，這樣它能夠在設(shè)備完全用盡電力之前將數(shù)據(jù)存入磁盤，對系統(tǒng)信息進行備份等等。TI公司的Fundaro評價說：“如果一個裝置不能準確的指示電力水平的話，人們?yōu)橘徺I昂貴的大容量電池所投入的金錢就未得到應有的回報。由于不知道離電池用光還有多遠，他們就會過于頻繁地對電池進行充電，或者充電不充分。”

　　與一個能直接測量出燃油液位的汽油油箱內(nèi)置傳感器不同，電池電量計對流入和流出電池的電子流進行測量。這種非直接測量具有自身的一些問題。“設(shè)計者需要記住的是，在一個應用中，比如說1A-h容量的電池，并不能一直提供如此大的功率，”Fundaro說?！白岆姵乜焖俜烹娋蜁鼓芗橙〉碾娔苋萘繙p少，但溫和的放電可以釋放出超過額定容量的電力。電量計電路必須根據(jù)裝置從電池中吸取電力的方式來確定電池的容量情況?！?/P>

　　與大多數(shù)儀表一樣，油量計需要定期的校準。這些重新校準或者重新設(shè)定過程必須在特定條件下進行，由系統(tǒng)設(shè)計者進行規(guī)劃。當電池管理IC確認電池無法再發(fā)出電力時，IC就讓“油量歸零”，指示電池中沒有電量剩余。利用存儲在電池管理IC的EEPROM或者FLASH存儲器中的數(shù)據(jù)或者連接到管理IC引腳的元件，就能完成電量計重設(shè)。

　　但是，若一個電池經(jīng)歷多次能量很小的充、放電循環(huán)之后，電池就永遠也達不到能讓電量計歸零的“用空”狀態(tài)。在這種情況下，電池管理電路可以通知設(shè)備將電池完全放電，以便能完成歸零操作，或者電池管理IC根據(jù)環(huán)境條件和電池使用循環(huán)等情況將其電量計數(shù)據(jù)歸零。一些電池管理IC監(jiān)測使用模式并據(jù)此對計量過程進行相應的調(diào)整(見圖3)。

　　Fundaro解釋說：TI正在研究一種新算法，以電池的阻抗來計算出剩余容量。“隨著時間的流逝，內(nèi)阻抗將會增加，因此電量表可以使用這一信息來弄清電池的容量變化了多少。下一代阻抗追蹤技術(shù)將減少某些應用中出現(xiàn)的電量計誤差累計現(xiàn)象?！?/P>

　　不要被這些儀表的可編程特質(zhì)嚇到，芯片廠商提供了充分的、關(guān)于電量計電路實現(xiàn)和任何固件操作方面的信息。 ■