前言
便攜式電子產(chǎn)品皆以電池作為電源。隨著(zhù)便攜式產(chǎn)品的迅速發(fā)展，各種電池的用量大增，并且開(kāi)發(fā)出許多新型電池。除大家較熟悉的堿性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來(lái)成為主流的鋰離子電池。這里會(huì )介紹有關(guān)鋰離子電池的相關(guān)知識，包括它的特性、主要參數、應用范圍，最后并提供鋰離子電池充電線(xiàn)路之設計參考。

鋰離子電池發(fā)展與應用
鋰離子電池是目前應用最為廣泛的可再次充電式電池，它根據不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長(cháng)方形、圓柱形、長(cháng)方形及扣式，可以單節電池使用于低功率應用，也可以將多節電池進(jìn)行串并聯(lián)組合得到更高電壓與容量，用于電動(dòng)工具與筆記型計算機。鋰離子電池中的電解液可以是凝膠體、聚合物(鋰離子/鋰聚合物電池)、或凝膠體與聚合物的混合物。因為目前尚未發(fā)現能夠在室溫條件下有效運送鋰離子的聚合物，所以大多數的鋰離子/ 鋰聚合物電池實(shí)際上是結合凝膠體和聚合物的混合型電池。
鋰離子電池有別于一般的化學(xué)電池，其充放電工作過(guò)程是通過(guò)電池正負極中鋰離子的嵌入和脫嵌來(lái)實(shí)現的，當對電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液移動(dòng)到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進(jìn)行放電時(shí)，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又移動(dòng)回正極�；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說(shuō)的電池容量指的就是放電容量。在充放電過(guò)程中，鋰離子處于從正極到負極到正極的循環(huán)運動(dòng)狀態(tài)。由于鋰離子電池中使用的是離子狀態(tài)的鋰而非金屬鋰，危險性低，安全性高。

電池特性
電池的性能參數主要有電動(dòng)勢、容量、比能量和電阻。電動(dòng)勢等于單位正電荷由負極通過(guò)電池內部移到正極時(shí)，電池非靜電力(化學(xué)力)所做的功。電動(dòng)勢取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無(wú)關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時(shí)作單位。
在電池反應中，每公斤反應物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱(chēng)為電池的理論比能量。所謂比能量指的是單位重量或單位體積中所儲存的能量，以Wh/kg或Wh/L來(lái)表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h是小時(shí)；kg是千克(重量單位)，L是升(體積單位)。電池的實(shí)際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不全按電池反應進(jìn)行，同時(shí)電池內阻也會(huì )引起電壓降。另一方面，電流流過(guò)電池的截面積越大，其內阻越小。鋰離子電池的最大特點(diǎn)是比能量高，現今的鋰離子電池技術(shù)可達到比能量為80~120 wh/kg，而傳統鉛酸電池的比能量?jì)H為30~40 wh/kg，因此鋰離子電池可以以較小體積儲存更高能量，有助于講求輕薄短小的行動(dòng)電子裝置與要求高續航力的電動(dòng)車(chē)應用。
以下亦列出鋰離子電池的幾項特點(diǎn)：高容量：鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。
●高電壓 ：一個(gè)鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(標稱(chēng)值)，相當于三個(gè)串聯(lián)的鎳鎘或鎳氫電池。
●高穩定：由于不含金屬鋰，危險性低，因而不受飛機運輸關(guān)于禁止在客機攜帶規定的限制。
●長(cháng)壽命：可充電鋰離子電池充電全滿(mǎn)時(shí)、電壓約為4.2伏特，放電時(shí)電壓會(huì )下降、但不宜低于約2.5伏特，保存電壓或出廠(chǎng)電壓約為3.6至3.7 伏特。使用壽命主要關(guān)鍵為充電次數，優(yōu)良的可充電鋰離子電池約有500次以上的壽命(由2.5伏特充電至4.2伏特算一次)，且鋰離子電池不存在記憶效應。
●快速充電：使用額定電壓為4.2V的定電壓/定電流充電器，可以使鋰離子電池在1~2.5個(gè)小時(shí)內就充滿(mǎn)電。但須注意如果充電電壓超過(guò)4.3伏特以上，有爆炸的危險。電池電壓低于2.0伏特，則鋰離子電池損毀，無(wú)法再使用或充電。

電池充電方式
由以上可以知道，鋰離子電池雖然具有高容量與長(cháng)壽命的優(yōu)勢，但是在充放電方面則需特別注意，因此所有可充電鋰離子電池都需要配置其“充放電管理 IC”，用以限制充電及放電電壓，以確保不超過(guò)安全電壓致電池爆炸，當電池電壓低于2.5V切斷輸出，避免電池壽命縮短。除少數標準品之外，多數鋰離子電池體積外型各異，以實(shí)際應用為主，容量規格也不盡相同，因此充電電流由各制造廠(chǎng)商自行設計規范。依據電流大小而有所謂快充或慢充模式；然大電流的充電模式通常有損使用壽命。雖然電池組中已包含有充電管理IC，但此僅作為電池爆炸或防止燃燒的最低保護措施，而非正常的使用方式，為充分達到電池的壽命與效率，充電器的設計仍需離此一上下限甚遠。
除了過(guò)放電之外，鋰離子電池也不適合用作大電流放電，大電流放電時(shí)會(huì )降低放電時(shí)間(內部會(huì )產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量)。因此電池制造商規范該產(chǎn)品最大放電電流，在使用中應小于最大放電電流。鋰離子電池對充電品質(zhì)的要求很高，需要精密的充電電路以保證充電的安全，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的 1%之內(例如:充4.2V的鋰離子電池，其允差為±0.042V)過(guò)壓充電可能對鋰離子電池造成永久性損壞，嚴重者導致電池爆炸；鋰離子電池的充電電流應根據電池制造廠(chǎng)的規范選用。雖然某些電池充電電流標稱(chēng)可達2C(C是電池的容量，標示如1000mAh，1C充電率即充電電流為1A)，但高充電電流會(huì )降低電池壽命，因此一般常用的充電率為0.25C～1C。因充電過(guò)程的電化學(xué)反應會(huì )產(chǎn)生熱，有一定的能量損失；另外鋰離子電池充電并非全部采用定電流充電，還有定電壓模式充電，所以實(shí)際充電時(shí)間約為2.5小時(shí)左右；鋰離子電池充電的溫度在0℃~ 60℃范圍。如果充電電流過(guò)大會(huì )產(chǎn)生溫度過(guò)高，不僅會(huì )損壞電池并可能引起爆炸。因此在大電流充電時(shí)，需要對電池進(jìn)行溫度檢測，并且在超過(guò)設定充電溫度時(shí)能停止充電以保證安全。另外，充電器電路中有設定的限流電阻，保證充電電流不超過(guò)設定的限制電流。
目前鋰離子電池的充電器常采用三段充電法，即預充電模式(Pre-Charging Mode)、定電流充電(Fast Charging Mode)、定電壓充電模式(Constant Voltage Mode)。鋰離子電池終止放電電壓為2.5V。設計完善的充電器可對過(guò)放的電池進(jìn)行挽救修復，即在正式充電前進(jìn)行預處理。于充電前先檢測電池的電壓：若電池電壓大于 3V，則按正常方式充電；若電池電壓低于3V，則以小電流(約為10%的定電流模式充電電流)充電稱(chēng)之為預充電模式，讓處于深度放電狀態(tài)下而溶解的鈍化膜進(jìn)行還原。此外，當電池過(guò)度放電時(shí)，還可能釋出部分銅金屬在陽(yáng)極造成短路，此時(shí)若以高電流進(jìn)行強迫充電就會(huì )導致電池過(guò)熱，而預充電階段則能避免這種現象發(fā)生。等充到3V后再按正常定電流方式充電。
當電池電壓大于3V，則按正常方式充電的充電特性如圖1所示(以4.2V鋰離子電池為例)。開(kāi)始以設定的定電流模式充電，此時(shí)電池電壓以較快的斜率上升，隨著(zhù)電池電力儲存的增加，電池電壓上升斜率會(huì )逐步降低，上升到接近 4.2V 時(shí)，定電流充電階段結束。充電器改以 4.2V定電壓充電，在定電壓階段充電時(shí)，電壓幾乎不變，但充電電流持續下降。當充電電流降到某一值時(shí)，激活定時(shí)器，經(jīng)一段計數定時(shí)截止后，結束充電，完成充電程序。

圖1：典型的鋰離子電池充電曲線(xiàn)
定電壓充電的輸出穩壓精確度對于電池容量最大化和延長(cháng)電池使用壽命都很重要。當電池穩壓低于4.2V，可能導致電池充電不足，雖不至于影響壽命，卻使得電池蓄電量減少。例如充電不足程度只要達到總電壓的 1%，就會(huì )讓電池蓄電量減少8%。另一方面，電池穩壓太高，則導致電池過(guò)度充電而縮短使用壽命，甚至造成使用者危險。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℃～45℃之間。在更低溫度下進(jìn)行充電會(huì )形成更多金屬鋰，會(huì )導致電池阻抗增加與電池劣化。在高溫環(huán)境下進(jìn)行充電，則會(huì )增加鋰離子與電解液的反應而加速電池劣化。
一般而言，建議長(cháng)時(shí)間不使用時(shí)，應將電池充至70 - 80%進(jìn)行存放。這也是為防止長(cháng)時(shí)間的自然放電后，鋰離子電池電壓低于2.0伏特，導致鋰離子電池失效而不能使用。經(jīng)常把鋰離子電池電量耗盡的使用方式，比經(jīng)常充放電的使用方式，其壽命至少縮短一半以上。

鋰離子充電器設計范例
為滿(mǎn)足低耗電可攜式產(chǎn)品對于更精確、更安全的充電器應用需求，許多IC制造商發(fā)展出低成本線(xiàn)性充電器。圖2是以通嘉科技的LD6275充電IC為設計范例，構成僅需少數外部零件的獨立式線(xiàn)性充電器電路，其具備1.5A的最大充電電流。

圖2：LD6275應用電路圖

LD6275是一個(gè)高整合度的鋰離子電池線(xiàn)性充電器IC，具備主動(dòng)電源路徑管理，在負載端電流進(jìn)行加載/卸載的情況下，實(shí)時(shí)調整電池充電電流，有效監控管理輸入電流(即USB埠的輸出電流)，符合USB – IF所規范的浪涌電流限制和軟激活功能的要求。此外，IC內整合有溫度檢測功能，如果IC溫度超過(guò)設定值。會(huì )自動(dòng)降低充電電流以保護芯片避免損壞。
LD6275將電源適配器/USB埠的5V直流電源進(jìn)行降壓穩流，對鋰離子電池進(jìn)行充電，為防止電源適配器的過(guò)電流超載，可以外部電阻 RCISET設定最大充電電流限制。同時(shí)支持計算機USB端口充電模式，并依據外部腳位EN1與EN2進(jìn)行設定，各模式請見(jiàn)表1。透過(guò)為USB 500mA與USB 100mA操作模式設定，可以保護PC端USB埠避免過(guò)載。

表1：充電模式設定

LD6275 具有適應性電源路徑管理(Adaptable Power Path Management, APPM)功能，其為以供給系統端用電為主，對電池充電為輔，如圖3所示；當系統用電超過(guò)輸入電源的供給限制時(shí)，其電池亦能主動(dòng)開(kāi)啟放電功能同時(shí)對系統端供給其所需之電能需求，如圖4所示。

圖3. APPM

圖4. APPM
LD6275開(kāi)放兩段的電池設定電壓與充電電流的調整，可根據其需求動(dòng)態(tài)調整，如為符合日本JEITA的規范要求根據電池之溫度而調整充電器之設定，如下圖5表示。

圖5：TVSET, TISET調整
由于LD6275本身耗電極小，僅1~2mA,幾乎可以忽略，因此IC本身發(fā)熱功率Pd可以由下列公式計算：

Vin為輸入電源電壓，工作范圍4.1V~6V.VBAT是電池電壓，可以由0~4.2V,ICHG為設定充電電流，由外部電阻RCISET設定之。當電池電壓低于3V時(shí)，會(huì )進(jìn)入預充電模式，IC內部預設以ICHG的10%電流進(jìn)行充電。
假設使用5.5V電源供應器對單顆1200mAh鋰離子電池進(jìn)行充電，在0.7℃快速充電電流時(shí)，且電池電壓為3V的條件下，可以預估IC運作的最大耗電量為，1.762W的耗電最大值，此一功耗會(huì )使得熱阻抗60℃/W的3×3毫米QFN封裝溫度溫升127℃，即便環(huán)境溫度0℃時(shí)，也已經(jīng)超過(guò)所允許的125℃硅芯片操作溫度最大值。若設定充電電流為0.6A(0.5C)，則可降低IC溫升為90度，可以操作于35度的環(huán)境溫度中，因此是較佳的設定電流。
由以上可以得知，快速充電穩流值和電源供應電壓的操作范圍，對于線(xiàn)性充電器相當重要。線(xiàn)性充電器的根本問(wèn)題在于操作時(shí)芯片溫度較高，使得設計時(shí)必須在充電電流和散熱機構之間做取舍。但往往線(xiàn)性充電器的應用范圍是需要輕薄要求的便攜式產(chǎn)品，多使用導熱性差的塑料外殼，亦不考慮金屬散熱片，最后產(chǎn)品設計者唯有降低充電電流并延長(cháng)充電時(shí)間，來(lái)?yè)Q取較低的操作溫度�；�于可攜式產(chǎn)品使用者，希望能夠在1~2小時(shí)中完成充電，因此線(xiàn)性充電器通常比較適合 1500mAh以下的低容量鋰離子電池應用。若要應用于高輸入/輸出電壓差或高容量電池的充電應用，此時(shí)可以考慮應用同步交換式充電器。
圖6所示為鋰離子電池充電器的標準充電流程，首先充電IC偵測是否有輸出短路或是過(guò)載的保護模式，若系統一切正常接著(zhù)偵測電池初始電壓是否達到 3V以上，高于3V者就直接以快充模式進(jìn)行高電流充電，若電池低于3V者，進(jìn)入預充電模式，以快充的10%進(jìn)行充電，喚醒電池并避免電池損壞。在預充電階段，仍隨時(shí)偵測電池電壓，達到3V后可隨即切入快充模式。

圖6：鋰離子電池充電器的標準充電流程
在快充模式下，電池的電壓以較高速度上升，升高至4.2V時(shí)，切換至4.2V的定電壓充電，由電池本生的內阻進(jìn)行限流，此時(shí)充電電流就如同圖1的CV階段。隨著(zhù)時(shí)間過(guò)去，充電電流呈現指數曲線(xiàn)遞減，當到達設定電流ICHG的10%，即關(guān)閉充電器，同時(shí)指示充電完成。
然而，當電池故障時(shí)，電池可能無(wú)法儲存電能，電壓抑不會(huì )升高，所充入的能量轉變成熱，除了依靠過(guò)溫度保護機制之外，IC內部亦具有超時(shí)定時(shí)器，無(wú)論此時(shí)電池電壓狀態(tài)如何，只要超過(guò)設定充電時(shí)間后，隨即關(guān)閉充電器，以達到多重保護使用者之功能。
使用者亦有可能在充電或式充電完畢后，在未將電源移除的情況下，即抽離電池的情況。為避免造成危險，IC內部應具有如圖7, 8的電池存在偵測機制。充電IC會(huì )以短時(shí)間脈沖(每370ms產(chǎn)生2ms的脈沖)方式抽取電池電流，此時(shí)若電池存在，則偵測到的電池電壓應大于一預設閥值；若電池已切離，則充電IC偵測到一低電壓，即可判定為電池斷開(kāi)狀態(tài)，并將電池端電壓切斷，保護使用者安全。

圖7. 電池存在偵測機制

圖8：電池移除偵測機制

結論
鋰離子電池以其特有的性能優(yōu)勢已在可攜式裝置如筆記計算機、攝影機、移動(dòng)通訊中得到普遍應用。而新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設計的靈活性。同時(shí)，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了20%，其容量、與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池皆獲得改善。因此可以預見(jiàn)的是，未來(lái)鋰離子電池的充電器，亦朝向更快速的充電速率與更強健的系統保護能力為未來(lái)發(fā)展趨勢。