利用智能充電管理克服便攜式設備所面臨挑戰

電子信息時(shí)代使對移動(dòng)電源的需求快速增長(cháng)。由于鋰離子電池具有高電壓、高容量的重要優(yōu)點(diǎn)，且循環(huán)壽命長(cháng)、安全性能好，使其在便攜式電子設備、電動(dòng)汽車(chē)、空間技術(shù)、國防工業(yè)等多方面具有廣闊的應用前景，成為近幾年廣為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。鋰離子電池的機理一般性分析認為，鋰離子電池作為一種化學(xué)電源，指分別用兩個(gè)能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次電池。當電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負極中嵌入，放電時(shí)反之。鋰離子電池是物理學(xué)、材料科學(xué)和化學(xué)等學(xué)科研究的結晶。鋰離子電池所涉及的物理機理，目前是以固體物理中嵌入物理來(lái)解釋的，嵌入(intercalation)是指可移動(dòng)的客體粒子(分子、原子、離子)可逆地嵌入到具有合適尺寸的主體晶格中的網(wǎng)絡(luò )空格點(diǎn)上。電子輸運鋰離子電池的正極和負極材料都是離子和電子的混合導體嵌入化合物。電子只能在正極和負極材料中運動(dòng)。已知的嵌入化合物種類(lèi)繁多，客體粒子可以是分子、原子或離子。在嵌入離子的同時(shí)，要求由主體結構作電荷補償，以維持電中性。電荷補償可以由主體材料能帶結構的改變來(lái)實(shí)現，電導率在嵌入前后會(huì )有變化。鋰離子電池電極材料可穩定存在于空氣中與其這一特性息息相關(guān)。嵌入化合物只有滿(mǎn)足結構改變可逆并能以結構彌補電荷變化才能作為鋰離子電池電極材料。

本文將討論有關(guān)鋰離子電池方面的一些潛在發(fā)展趨勢，并介紹便攜式產(chǎn)品設計師如何利用受微控制器(MCU)控制的脈沖寬度調制(PWM)或者基于單獨的集成式電池充電管理控制器的解決方案設計靈活的鋰離子電池充電管理系統來(lái)克服這些挑戰。

采用鋰離子電池的便攜式設備供電設計挑戰

采用鋰離子電池的便攜式設備供電設計面臨的挑戰包括但不限于：供電安全，電池化學(xué)特性，可用空間和所需的性能。便攜式產(chǎn)品設計師在決策時(shí)必須傾其所有的知識和經(jīng)驗來(lái)克服每個(gè)可能出現難題。對于可重復充電的鋰離子電池來(lái)說(shuō)，還必須考慮充電/放電速率、壽命周期、維護和充電算法。為了實(shí)現每次充電后電池容量的最大化，充電電壓調節精度非常重要。如圖1所示，欠充0.6%的電池會(huì )導致5%的容量損失。但是又不能過(guò)充電，因為這是極其危險的。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(cháng)其在電能備份應用中的壽命。

圖1：鋰離子電池的容量損失與欠充電壓的關(guān)系。

產(chǎn)品所面臨的挑戰通常與面市時(shí)間、總體系統成本以及可靠性有關(guān)。其中面市時(shí)間對絕大多數消費類(lèi)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，因為產(chǎn)品的壽命周期很短。在如今快速發(fā)展的世界里對市場(chǎng)的快速反應能力很重要。從概念到形成最終產(chǎn)品的時(shí)間越短，意味著(zhù)消耗的資源越少，并能通過(guò)節約設計時(shí)間來(lái)降低成本。不過(guò)，通過(guò)提高集成度來(lái)節省空間的解決方案通常會(huì )比分離元器件解決方案的成本高一些，但也并非都是如此。因此在設計產(chǎn)品時(shí)可靠性應始終放在首要位置，如果性能可以折中的話(huà)。

MCU+PWM控制器充電管理系統

MCU(Micro Control Unit)中文名稱(chēng)為微控制單元，又稱(chēng)單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)或者單片機，是指隨著(zhù)大規模集成電路的出現及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計數器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場(chǎng)合做不同組合控制。微控制器在經(jīng)過(guò)這幾年不斷地研究，發(fā)展，歷經(jīng)4位，8位，到現在的16位及32位，甚至64位。產(chǎn)品的成熟度，以及投入廠(chǎng)商之多，應用范圍之廣，真可謂之空前。目前在國外大廠(chǎng)因開(kāi)發(fā)較早，產(chǎn)品線(xiàn)廣，所以技術(shù)領(lǐng)先，而本土廠(chǎng)商則以多功能為產(chǎn)品導向取勝。但不可諱言的，本土廠(chǎng)商的價(jià)格戰是對外商造成威脅的關(guān)鍵因素。

如果產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中對靈活度比較側重，在項目開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能作出修改，那么對于這樣的應用來(lái)說(shuō)，采用由MCU控制的PWM控制器電池充電管理系統是非常理想的。

圖2：典型的基于MCU+PWM控制器的多電池單元多化學(xué)材料的充電管理應用電路。

圖2給出了采用典型的單端初級電感轉換器(SEPIC)拓撲結構的多個(gè)電池單元、多種化學(xué)成分的充電管理系統，該系統包含了MCP1631高壓PWM(零件號MCP1631HV)和PIC12F683通用MCU.一些先進(jìn)的MCU可以提供更多的GPIO和ADC,從而增加檢測和輸出狀態(tài)。SEPIC采用的是一種開(kāi)關(guān)型拓撲，因而在輸入和輸出電壓差較大且電流較大時(shí)可以提供更高的效率和更低的功耗。例如，當工作在輸入電壓為9V、VBAT為4V、ICHARGE為1A時(shí)，常規的線(xiàn)性解決方案的功耗是(9V-4V)x1A=5W,然而效率為90%的開(kāi)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。下列等式給出了上述例子中線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)電源的計算方法。

圖3就是受MCU控制的PWM控制器采用恒流/恒壓(CC-CV)算法以1A充電速率給單節1700mA鋰離子電池充電時(shí)的典型充電曲線(xiàn)。算法開(kāi)始的前提條件是電池電壓是否低于預處理門(mén)限。一旦超過(guò)了這個(gè)預處理門(mén)限，系統就進(jìn)入恒流充電階段，直到檢測到穩定的電壓。本例中充電結束值為200毫安。接下來(lái)系統繼續監測電池電壓，并在電壓低于再充電門(mén)限時(shí)對電池進(jìn)行放電，從而有效限制充放電循環(huán)的次數，延長(cháng)電池的使用壽命，同時(shí)使電壓保持在安全水平。

圖3：典型的具有CC/CV算法充電曲線(xiàn)的MCU+PWM控制器。