可攜式消費(fèi)性電子設(shè)備的發(fā)展趨勢是性能不斷提高、功能不斷增加，但電池每次充電後的供電時間卻越來越長。隨著可攜式電子產(chǎn)品功能不斷增加，對電池的容量要求也不斷提高。鋰離子電池的高電壓、高容量、長壽命和免維護(hù)等特性使之成為各類可攜式電子設(shè)備的理想選擇。除常規(guī)的4.2V充電電壓和1C的充放電速率之外，鋰離子電池中採用的一些新技術(shù)要求不同的充電電壓並提供更高的充電速率。
本文將討論有關(guān)鋰離子電池的一些潛在發(fā)展趨勢，並介紹可攜式產(chǎn)品設(shè)計師如何利用受微控制器(MCU)控制的脈衝寬度調(diào)變(PWM)，或是基於單獨(dú)的整合式電池充電管理控制器方案開發(fā)靈活的鋰離子電池充電管理系統(tǒng)，以克服這些挑戰(zhàn)。
可攜式設(shè)備供電設(shè)計挑戰(zhàn)
採用鋰離子電池的可攜式設(shè)備供電設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)包括供電安全、電池化學(xué)特性、可用空間和所需性能等。可攜式產(chǎn)品設(shè)計師在決策時必須傾其所有知識和經(jīng)驗(yàn)來克服每個可能出現(xiàn)的難題。對於可重複充電的鋰離子電池來說，還必須考慮充電/放電速率、壽命週期、維護(hù)和充電演算法。為了實(shí)現(xiàn)每次充電後電池容量的最大化，充電電壓調(diào)節(jié)精密度非常重要。如圖1所示，欠充0.6%的電池會導(dǎo)致5%的容量損失。但是又不能過充電，因?yàn)檫@是極其危險的。某些電池生產(chǎn)商，例如日本松下公司，建議將4.2V的電池充電到4.1V，以延長其在電能備份應(yīng)用中的壽命。
圖1：鋰離子電池的容量損失與欠充電壓的關(guān)係。
產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)通常與上市時間、總體系統(tǒng)成本以及可靠性有關(guān)。其中上市時間對絕大多數(shù)消費(fèi)性產(chǎn)品來說非常關(guān)鍵，因?yàn)楫a(chǎn)品的生命週期很短。今天，廠商對市場的快速反應(yīng)能力很重要。從概念到形成最終產(chǎn)品的時間越短，意味著消耗的資源越少，並能透過節(jié)省設(shè)計時間來降低成本。不過，透過提高整合度來節(jié)省空間的解決方案，成本通常會比分離式解決方案高一些，但也並非全然如此。因此，若可折衷考量性能，那麼在設(shè)計產(chǎn)品時，應(yīng)該將可靠性置於首位。
MCU+PWM充電管理系統(tǒng)
如果一款產(chǎn)品的開發(fā)較側(cè)重靈活度，在開發(fā)過程中可能作出修改，那麼這類應(yīng)用將很適合採用由MCU控制的PWM控制器電池充電管理系統(tǒng)。
圖2為採用典型的單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓樸結(jié)構(gòu)的多個電池單元、多種化學(xué)成分的充電管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了MCP1631高壓PWM(編MCP1631HV)和PIC12F683通用MCU。一些先進(jìn)的MCU可提供更多GPIO和ADC，以增加檢測和輸出狀態(tài)。SEPIC採用一種開關(guān)型拓樸，可在輸入和輸出電壓差較大且電流較大時提供更高的效率和更低的功耗。例如，當(dāng)工作在輸入電壓為9V、VBAT為4V、ICHARGE為1A時，常規(guī)的線性解決方案功耗是(9V-4V)x1A=5W，但效率為90%的開關(guān)解決方案在同樣條件下功耗僅為4Wx(0.1/0.9)=.44W。對1/2瓦進(jìn)行散熱顯然要比對5瓦進(jìn)行散熱容易得多。下列等式為上述例子中線性和開關(guān)電源的運(yùn)算方法。
圖2：基於MCU+PWM控制器的典型多電池單元多化學(xué)材料充電管理應(yīng)用電路。
圖3是受MCU控制的PWM控制器採用恆流/恆壓(CC-CV)演算法，以1A充電速率為單節(jié)1,700mA鋰離子電池充電時的典型充電曲線。演算法開始的前提條件是電池電壓是否低於預(yù)處理閾值。一旦超過預(yù)處理閾值，系統(tǒng)就進(jìn)入恆流充電階段，直到檢測到穩(wěn)定的電壓。本例中充電結(jié)束值為200毫安。接下來系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)測電池電壓，並在電壓低於再充電閾值時對電池進(jìn)行放電，因而有效限制充放電循環(huán)的次數(shù)，延長電池使用壽命，同時使電壓保持在安全水準(zhǔn)。
圖3：具有CC/CV演算法充電曲線的MCU+PWM控制器。
獨(dú)立IC充電管理系統(tǒng)
設(shè)計師選用全整合單晶片電池管理系統(tǒng)的主要原因在於其體積小、成本低，且設(shè)計時間/工作量/資源最小。獨(dú)立的鋰離子電池充電IC，特別是用於線性拓樸的IC，只需要SMD電容器來保持AC穩(wěn)定，並在沒有電池負(fù)載時提供補(bǔ)償。因此採用整合解決方案所需的PCB空間較小，相關(guān)零組件數(shù)量也最少。圖4是在作為獨(dú)立電池充電器使用時，一個全整合電池管理控制器的典型應(yīng)用電路。
圖4：典型的獨(dú)立充電管理控制器應(yīng)用電路。
由於在IC中置入了充電演算法和事務(wù)管理電路，因而不再需要其他韌體，可直接進(jìn)行設(shè)計。半導(dǎo)體公司通常會以詳盡的數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用指南來提供良好的產(chǎn)品支援，幫助設(shè)計師將電池充電IC植入系統(tǒng)。這樣做不僅加速了產(chǎn)品上市時間，而且還透過縮短開發(fā)時間和取消軟體開發(fā)工作降低了成本。不過，靈活度不夠是這種獨(dú)立的充電管理IC在如今快速變化的電池領(lǐng)域中所面臨的主要問題。
克服挑戰(zhàn)
充電電池的額定電壓和充電電壓取決於其化學(xué)材料。電池陽極和陰極所用化學(xué)材料的不同決定了電池電壓和其他相關(guān)特性，例如能量密度、內(nèi)阻等。例如，電池製造商對鈷和錳鋰離子電池推薦的充電電壓為4.2V，而對磷酸鹽鋰電的推薦充電電壓為3.6V。雖然磷酸鹽鋰離子電池可用較高的穩(wěn)定電壓充電，使得每次充電後能有最大的電能，但代價是電池壽命將縮短。
由微控制器管理的系統(tǒng)可以方便地修改電壓穩(wěn)定機(jī)制、預(yù)處理閾值電壓、最大的充電電流和其他參數(shù)，而且所有這些功能都無需改變硬體即可實(shí)現(xiàn)。透過適當(dāng)?shù)馗马g體和一些不重要的硬體，該系統(tǒng)很容易適用於Ni-MH、Ni-Cd密封鉛酸(SLA)以及其他化學(xué)材料的電池。MCU可以使其他系統(tǒng)具備智慧化，這對可攜式設(shè)備很有益處，如系統(tǒng)監(jiān)視和提供輸出訊號、認(rèn)證與通訊等，可有效防止最終用戶使用劣質(zhì)電池。
由於缺乏靈活性，使得整合系統(tǒng)很難與MCU+PWM的充電管理方案競爭。通常IC設(shè)計公司和半導(dǎo)體製造商透過提供不同的預(yù)置電壓、可選的或可編程的電流(預(yù)處理電流、充電電流和結(jié)束電流)，以及採用外部電阻和電容器編程某些參數(shù)來解決這些問題。通常，充電管理IC採用電池製造商所建議的CC-CV充電演算法。安全定時器也是可編程的，或是可選擇的。當(dāng)安全定時器在充電結(jié)束之前溢出時，系統(tǒng)會增加一個故障標(biāo)誌或者切斷。安全定時器可用來防止鋰離子電池由於過充電而產(chǎn)生危險，並能識別‘死’電池。例如對一個性能良好的鋰離子電池來說，在加上一個適當(dāng)?shù)碾妷横幔鼤谳^短的時間內(nèi)進(jìn)入恆流充電狀態(tài)。如果在預(yù)處理期間安全定時器產(chǎn)生溢出，電池很可能需要更換了。
圖5：全整合獨(dú)立充電器IC的典型充電曲線。
圖5為一個典型獨(dú)立線性鋰離子電池充電管理控制器的完整充電過程。所需的總充電時間將根據(jù)結(jié)束充電選項的不同而有所差異。在每個充電過程的開始，若內(nèi)部功耗過高，熱反饋將調(diào)節(jié)元件溫度。當(dāng)元件溫度低於最大值時，恆流模式將恢復(fù)到最大編程值，提高了充電器的可靠性和安全性。這種作法的代價是整個充電週期略有增加。比較圖3和圖5，熱調(diào)節(jié)功能實(shí)際上只是使整個充電過程延長了約7分鐘，這在多數(shù)應(yīng)用中是微不足道的，因?yàn)檎麄�充電週期約為3小時。
表1：MCU+PWM控制器與獨(dú)立充電器IC的比較。
本文小結(jié)
完全整合的IC可協(xié)助設(shè)計師快速且低成本地實(shí)現(xiàn)電池充電功能。但是，這些標(biāo)準(zhǔn)的元件無法滿足所有可攜式元件設(shè)計和設(shè)計師的需求。產(chǎn)品設(shè)計師通常很難找到能夠滿足所有設(shè)計要求的電池充電解決方案。電池充電管理控制器IC通常是針對一般性應(yīng)用，而非針對特殊應(yīng)用所設(shè)計。一些製造商試圖提供單晶片解決方案，但與這些方案有關(guān)的內(nèi)建演算法非常昂貴。對高階電池充電管理系統(tǒng)或電池化學(xué)材料可能隨著產(chǎn)品的演進(jìn)而變更的設(shè)計來說，基於MCU+PWM控制器的系統(tǒng)是理想的解決方案。 |
