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新兴锂离子电池充电技术的优点及应用

电子设计 2019-03-14 08:11 次阅读

多年来,对高效、重量轻、快速充电、安全和高性价比便携式电源的需求带动了许多新电池技术的研发,包括镍氢电池 (NiMH)、可充电碱性电池、锂离子 (Li-ion) 电池和锂聚合物 (Li-poly) 电池等,而这些仅是其中的几种。 这些新的电池化学物质通常需要通过更复杂的充电和保护电路来最大限度地提升性能、确保安全。 令人欣慰的是,工程师们开发出了同样先进的电池充电和保护用半导体器件。

本文将探讨这些新兴电池技术的优点及局限性。 同时,我们还将调查、报告由 Maxim Integrated、Linear Technology 和 Texas Instruments 等半导体制造商提供的全新锂离子电池充电解决方案。

电池技术

最近几年来,在便携式电子设备领域涌现出多种全新可充电电池化学物质,它们已能挑战长期受欢迎的镍镉电池 (NiCd) 技术,不过,后者能提供如电动工具等应用所需的短时大电流以及令人满意的低阻抗特性,因此在这些应用领域会继续受到青睐。

然而,如智能手机、平板电脑、数字摄像机等现代便携式应用的设计人员都在寻求比 NiCd 拥有更大容量、更小放电速度的电池。 这些应用还要求电池能快速充电、重量轻。 满足这些要求的电池技术有镍氢电池 (NiMH)、锂离子电池 (Li-ion) 和锂聚合物电池 (Li-poly)。 尽管 NiMH 电池具有更大的容量和更快的充电速度,但其不足之处是自放电速度较快,是 NiCd 电池的两倍并且一开始就相对较快(表 1)。

新兴锂离子电池充电技术的优点及应用

表 1:不同类型化学物质的电池关键参数(感谢 Maxim Integrated 提供数据)。

如 Maxim Integrated 的应用说明 AN676 所述,锂离子电池和锂聚合物电池拥有比 NiCd 和 NiMH 电池大得多的容量和低得很的放电速度,因此在便携式产品中得以广泛应用。 该应用说明还指出,锂离子电池的重量也更轻。 因此,锂离子电池的每单位重量内的容量几乎是 NiMH 电池的两倍多。

锂离子电池当然也有局限性。 Maxim 指出,锂离子电池极易受到过度充电和充电不足的影响。 电压过高会造成永久性损坏,而重复放电至相当低的电压又会使容量减小。 所以,为了保护电池,所用的充电解决方案必须能限制充放电期间的电池电流和电压。

因此,锂离子电池组通常配备某种形式的欠压、过压保护电路以及保险丝,以防出现过大电流。 Maxim 的工程师还建议,这类电池组还需配备一个开关,用于在高压力造成电池组泄压时打开电池的电路。

而且,与需要通过电流源充电的 NiCd 和 NiMH 电池不同,锂离子电池必须采用电压和电流源组合进行充电。 为达到最大充电状态而又不会损坏电池,大多数锂离子电池充电器会保持 1% 的输出电压容差。 通常不建议保持更精确的容差,因为这样做不仅难度大,还将增大成本。 一般来讲,即使稍稍增大容量也将会得不偿失。

单芯锂离子电池充电器

对于手机和其他类似设备而言,最佳的电池充电方法是采用独立的充电座,您可把电池或者设备放入“鞍式”充电座中。 根据 Maxim 介绍,线性、单芯锂离子或者锂聚合物电池充电器适于在充电座中使用。 既然电池组或者充电装置是独立的,那么发热就不会成为问题,因为这种热量不会在设备中聚集。 这种情况下,线性调节器能降低在其线性区域内工作的通道晶体管上的压差(DC 源和电池之间)。 由于充电器被限制在一个小空间内,因此建议利用气流方式消除功率耗散产生的过热情况。

Maxim 的线性单芯锂离子电池充电器命名为 MAX846A。 该器件拥有精确度为 0.5% 基准值,能为对电压准确性要求严格的锂离子电池安全充电。 其中用于控制外部低成本 PNP 晶体管(或 P 沟道 MOSFET)的电压和电流调节回路相互独立。 如图 1 所示,来自 Fairchild Semiconductor 的外部功率晶体管 FZT749 能将源电压降低至电池电压,并且电路中的大部分功率耗散由其产生。 这样,便形成一个更加稳定的内部基准,从而提供更稳定的电池限压。

新兴锂离子电池充电技术的优点及应用

图 1:线性单芯锂离子电池充电器 MAX846A 驱动一个外部功率晶体管 (Q1),该晶体管能把源电压降低至电池电压。

在该电路中,R1 和 R3 决定输出电流。 R1 检测充电电流,R3 设定电流调节水平。 ISET 端子的电流输出值是 CS+ 和 CS- 之间电压值的 1/1000。 电流稳压器将 ISET 电压控制在 2 V 水平。因此,电流限值 [2,000/(R3 *R1)] 为 1 A。如 Maxim 应用说明所述,电流和电压限值的控制回路均具有独立的补偿点(CCV 和 CCI),简化了这些限值的稳定过程。 ISET 和 VSET 端子可用于调节电流和电压限值。

空间受限型应用领域的线性充电器供应商还包括 Texas Instruments。 TI 的高度集成式 bq24040 系列充电器 IC 专用于为单芯锂离子电池和锂聚合物电池充电。 该系列充电器能处理高输入电压范围,可通过 USB 端口或者低成本 AC 适配器工作。 根据 TI 的介绍,bq2400x 系列的充电过程分为三个阶段:调节、恒流和恒压。 在整个充电期间,内部控制回路监视 IC 的结温,当超过内部温度阈值时就会减小充电电流。

Linear Technology 的独立式锂离子电池充电器 LTM8061 经过优化,同样专用于单芯、两芯锂离子和锂聚合物电池组充电,可提供 4.1 V、4.2 V、8.2 V 或 8.4 V 固定浮充电压。该器件具有恒流和恒压充电特性,最大充电电流可达 2 A。根据 Module(微模块)电池充电器的规格书,该器件是一个完整的系统级封装 (SiP) 充电解决方案,它在一个小巧的表面贴装式 LGA 封装中集成了 DC/DC 控制器、功率晶体管、输入和输出电容器、补偿元件和电感器。 因此,基于 LTM8061 的单芯锂离子电池充电器采用的外部元件最少(图 2)。

新兴锂离子电池充电技术的优点及应用

图 2:Module 电池充电器 LTM8061 是一种用于单芯锂离子电池的完整系统级封装 (SiP) 充电解决方案。

Fairchild Semiconductor、Intersil 和 STMicroelectronics 等其他制造商也加入了这场为锂离子电池和锂聚合物电池提供高能效充电器集成 IC 的竞赛。

为两芯或者多芯电池充电

图 3 所示为为两个串联的锂离子电池充电的类似电路。 该电路采用了 Maxim 的 MAX745 器件,这是一个达到 90% 能效的开关模式锂离子电池充电器。 MAX745 在单一芯片上集成了为锂离子电池充电所需的全部功能,可提供高达 4 A 的可调节充电电流而不会发热,并在电池端子上提供总误差仅为 ±0.75% 的可调节电压。 该器件采用低成本 1% 电阻器设定输出电压,以及低成本 N 沟道 MOSFET 作为功率开关。 电压设定点和充电电流由两个回路调节,且这两个电路协调工作,以确保电压和电流调节之间的平稳切换。 利用标准的 1% 电阻器将每芯电池电压的调节限值设定在 4 V 和 4.4 V 之间。

新兴锂离子电池充电技术的优点及应用

图 3:MAX745 是一款开关模式充电器,拥有向多个串联锂离子电池充电所需的全部功能。

Texas Instruments 和 Linear Technology 等供应商也提供向两个串联锂离子电池充电的集成 IC。

尽管有多种单芯或者多芯锂离子电池充电方案可以选择,但在为这些应用选择电池充电器 IC 前,设计人员首先必须检验以下几方面的要求,如输入电压、充电电流、充电方法、保护能力、USB 兼容性、成本和其他关键特性。

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