引言
便攜式電子設備設計人員可以選擇各種各樣的化學(xué)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該是一項很簡(jiǎn)單的工作，但是在大多數情況下這一過(guò)程頗為復雜。設計人員需要在性能、成本、外形尺寸以及其他關(guān)鍵要求方面找到一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。本文將為廣大設計人員和系統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(kāi)始實(shí)現充電控制
所有使用可充電電池的系統設計人員都需要清楚一些基礎設計技術(shù)，以確保滿(mǎn)足下面三個(gè)關(guān)鍵的要求：
1、電池安全性: 毋庸置疑，終端用戶(hù)安全是所有系統設計中最優(yōu)先考慮的問(wèn)題。大多數鋰離子 (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，還有一些系統設計需要考慮的關(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% 的穩壓容限、安全處理深度放電電池的預處理模式、安全計時(shí)器以及電池溫度監控。
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(gè)充電周期都能將電池容量充至充滿(mǎn)狀態(tài)。過(guò)早的終止充電會(huì )導致電池運行時(shí)間縮短，這是當今高功耗的便攜式設備所不希望的。
3、電池使用壽命：遵循建議的充電算法是確保終端用戶(hù)實(shí)現每個(gè)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(guò)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。
電池化學(xué)技術(shù)的選擇
現在系統設計人員可以在多種電池化學(xué)技術(shù)中進(jìn)行選擇。設計人員通常會(huì )根據下面的一些標準進(jìn)行電池化學(xué)技術(shù)的選擇，其中包括：
* 能量密度
* 規格和外形尺寸
* 成本
* 使用模式和使用壽命
近年來(lái)，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(xué)技術(shù)仍然是諸多消費類(lèi)應用一個(gè)不錯的選項。
無(wú)論選擇何種電池化學(xué)技術(shù)，遵循每一種電池化學(xué)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(gè)充電周期都能被充至最大容量，而不會(huì )降低安全性或縮短電池使用壽命。
NiCd/NIMH
在一個(gè)充電周期開(kāi)始之前，并且盡可能在開(kāi)始快速充電之前對鎳鎘 (NiCd) 電池和鎳氫 (NiMH) 電池必須要進(jìn)行檢驗和調節。如果電池電壓或溫度超出了允許的極限是不允許進(jìn)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(huì )暫時(shí)終止，直到電池冷卻到正常工作溫度范圍內才會(huì )再次運轉。要想處理一個(gè)“冷”電池（一般低于 10℃）或過(guò)度放電的電池（每節電池通常低于 1V），需要施加一個(gè)溫和的點(diǎn)滴式電流。
當電池溫度和電壓正確時(shí)快速充電開(kāi)始。通常用 1C 或更低的恒定電流對 NiMH 電池進(jìn)行充電。一些 NiCd 電池可以用高達 4C 的速率進(jìn)行充電。采用適當的充電終止來(lái)避免有害的過(guò)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(shí)即每個(gè)電池的電壓在 0～-4mV 范圍內，快速充電被終止�；跍囟鹊目焖俪潆娊K止方法是觀(guān)察電池溫度上升率  來(lái)探測完全充電。典型的 率為 1℃/每分鐘。
圖1：鎳電池化學(xué)技術(shù)的充電曲線(xiàn)。
鋰離子/鋰聚合物電池
與 NiCd 電池和 NiMH 電池相類(lèi)似，在快速充電之前盡可能檢驗并調節鋰離子電池。驗證和處理方法與上述使用的方法相類(lèi)似。
如圖 2 所示，驗證和預處理之后，先用一個(gè) 1C 或更低的電流對鋰離子電池進(jìn)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(huì )補充高達 70% 的電池容量。然后用一個(gè)通常為 4.2V 的恒定電壓對電池進(jìn)行充電。為將安全性和電池容量，必須要將充電壓穩定在至少 ±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(huì )終止。
圖2：鋰離子電池化學(xué)技術(shù)充電曲線(xiàn)。
開(kāi)關(guān)模式與線(xiàn)性充電拓撲的對比
傳統上來(lái)說(shuō)，手持設備都使用線(xiàn)性充電拓撲。該方法具有諸多優(yōu)勢：低實(shí)施成本、設計簡(jiǎn)捷以及無(wú)高頻開(kāi)關(guān)的無(wú)噪聲運行。但是，線(xiàn)性拓撲會(huì )增加系統功耗，尤其是當電池容量更高引起的充電率增加的時(shí)候。如果設計人員無(wú)法管理設計的散熱問(wèn)題，這就會(huì )成為一個(gè)主要缺點(diǎn)。
當 PC USB 端口作為電源時(shí)，則會(huì )出現其他一些缺點(diǎn)。當今在許多便攜式設計上都具有 USB 充電選項，并且都可提供高達 500mA 的充電率。就線(xiàn)性解決方案而言，由于其效率較低，可以從 PC USB 傳輸的“電能”量就被大大降低，從而導致了充電時(shí)間過(guò)長(cháng)。
這就是開(kāi)關(guān)模式拓撲有用武之地的原因。開(kāi)關(guān)模式拓撲的主要優(yōu)勢在于效率的提高。與線(xiàn)性穩壓器不同，電源開(kāi)關(guān)（或多個(gè)開(kāi)關(guān)）在飽和的區域內運行，其大大降低了總體損耗。降壓轉換器中功率損耗的主要包括開(kāi)關(guān)損耗（在電源開(kāi)關(guān)中）以及濾波電感中的 DC 損耗。根據設計參數的不同，在這些應用中出現效率大大高于 95% 的情況就不足為奇了。
當人們聽(tīng)到開(kāi)關(guān)模式這個(gè)術(shù)語(yǔ)時(shí)大多數人都會(huì )想到大型 IC、大 PowerFET 以及超大型電感! 事實(shí)上，雖然對于處理數十安培電流的應用而言確實(shí)是這樣，但是對于手持設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(kāi)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(shuō)明了當今市場(chǎng)上已開(kāi)始銷(xiāo)售的此類(lèi)解決方案。該硅芯片的尺寸不到 4mm2，其集成了高側和低側 PowerFET。由于采用了 3MHz 開(kāi)關(guān)頻率，該解決方案要求一個(gè)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計人員選擇正確的充電器的過(guò)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。
參考文獻
* 如欲了解電池充電選擇工具的更多詳情，敬請訪(fǎng)問(wèn)：www.ti.com/batterychargerselector-ca。
* 如欲了解 TI 本解決方案和其他電源解決方案的更多詳情，敬請訪(fǎng)問(wèn)： www.ti.com/power-ca。
作者簡(jiǎn)介
Masoud Beheshti 現任 TI 電池充電管理總監。他從事電源和電池管理領(lǐng)域的設計、產(chǎn)品定義、戰略營(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)管理工作超過(guò) 19 年之久。Masoud 畢業(yè)于瑞爾森大學(xué) (Ryerson University, Toronto, Canada)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位，后又畢業(yè)于南衛理公會(huì )大學(xué)(達拉斯) (Southern Methodist University, Dallas, Texas)，獲金融與營(yíng)銷(xiāo) MBA。 |
