電池快速充電指南——第1部分

簡(jiǎn)介

在如今這個(gè)移動(dòng)設備當道的時(shí)代，電池壽命是影響用戶(hù)體驗的主要因素之一。在設備內部集成省電技術(shù)非常重要，但這只是解決方案的一部分。隨著(zhù)移動(dòng)設備的功能不斷增多，其對電力的要求也不斷提高，原始設備制造商(OEM)也嘗試大幅提高電池容量，以此延長(cháng)電池的使用壽命。

例如，1S2P（1個(gè)電池串聯(lián)，2個(gè)電池并聯(lián)）這類(lèi)架構開(kāi)始風(fēng)行，通過(guò)使用兩個(gè)并聯(lián)電池來(lái)提高總電池容量。提高電池容量帶來(lái)的問(wèn)題就是充電時(shí)間隨之延長(cháng)。為了盡可能縮短充電時(shí)間，電池技術(shù)不斷改善，將充電電流從2C增大到3C或6C（也就是說(shuō)，xC是1小時(shí)內通過(guò)電池的額定電流的x倍）。例如，2000 mAh電池在不對電池可靠性產(chǎn)生不利影響的情況下，會(huì )消耗最高12 A充電電流。

對于高電流需要特別注意，確保安全充電和放電。將電池并聯(lián)使用時(shí)，開(kāi)發(fā)人員還需要考慮電阻和初始容量的不匹配。在本系列文章的第1部分，我們概要介紹在所有類(lèi)型的設備中提供電池快速充電功能時(shí)遇到的挑戰，包括消費電子、醫療和工業(yè)應用。

我們還將探討如何為高性能1S2P電池充電，如何在主機和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高系統的靈活性，盡可能降低功耗，并改善整體用戶(hù)體驗。

充電器基礎知識，以及為何電量計位置分區非常重要

電池充電系統的關(guān)鍵元件包括充電器本身，以及報告電池指標的電量計，例如電池的充電狀態(tài)(SOC)、剩余電量使用時(shí)間和電池充滿(mǎn)所需時(shí)間。電量計可以集成在主機端，或者集成在電池包中（參見(jiàn)圖1）。

圖1 電池電量計可以集成在主機端，或集成在電池包中

成在電池包中時(shí)，電量計需要使用非易失性存儲器來(lái)存儲電池信息。電源路徑中的MOSFET監測充電/放電電流，保護電池免于遭受危險狀況。MAX17330是ADI公司提供的電池電量計，內置保護電路和電池充電器功能（參見(jiàn)圖2）。

圖2 包含充電MOSFET調節功能的電量計框圖

圖3 高壓/高電流快速充電系統框圖

充電MOSFET可以精細調節，以實(shí)現線(xiàn)性充電器，在充電電源限制為5 V，充電電流在500 mA范圍內時(shí)，該器件可以獨立使用。由于鋰電池在99%充電曲線(xiàn)中的充電電壓都超過(guò)3.6V，因此功耗受到限制。

在充電器前面連接降壓轉換器來(lái)調節其輸出電壓，這樣就可使用高壓充電電源和高充電電流（參見(jiàn)圖3）。同時(shí)還可以充分減少壓降，從而降低充電MOSFET的功耗（參見(jiàn)圖4）。

圖4 使用降壓轉換器來(lái)調節輸出電壓，以高效實(shí)現10 A充電電流。圖中所示的是MAX20743降壓轉換器，V_IN=12 V

在電池包中集成電量計會(huì )使電池變得智能，能夠用于先進(jìn)充電場(chǎng)景，實(shí)現先進(jìn)充電功能。例如，電量計可在其非易失性存儲器中存儲適合電池包中電池的充電曲線(xiàn)參數。因此無(wú)需通過(guò)主機微控制器單元(MCU)充電?，F在，主機MCU僅需管理來(lái)自電池包的ALRT信號，根據收到的警報類(lèi)型增大/降低降壓轉換器的輸出電壓。

CP：熱限制 → 降低電壓。

CT：MOSFET溫度限制 → 降低電壓。

壓差：→ 增大電壓。

CP是一種標志，當流經(jīng)保護MOSFET的電流影響散熱性能時(shí)，該標志置位。CT是一種標志，在MOSFET溫度過(guò)高時(shí)置位。熱限制和MOSFET限制設置使用nChgCfg1寄存器組進(jìn)行配置。

可編程降壓轉換器（例如MAX20743）使用PMBus?來(lái)精細調節輸出電流。降壓轉換器中的集成式MOSFET支持高達10 A的充電電流。此外，由于PMBus使用I2C作為其物理層，可以使用單個(gè)I2C總線(xiàn)來(lái)管理降壓轉換器和電量計。

以下示例展示一種為單個(gè)3.6 V鋰電池充電的方式。圖5顯示充電系統中電壓和電流的時(shí)域形狀。具體來(lái)說(shuō)，該圖顯示了電池電壓、電池電流和降壓轉換器的輸出電壓。

圖5 單個(gè)電池快速給3.6 V鋰電池充電

可以看出，降壓轉換器的輸出(VPCK)設置為高于電池電壓50 mV。該輸出電壓會(huì )持續增大，以免造成壓差，且盡可能降低總功耗。

電池安全管理

由于快速充電期間的電流很高，OEM必須要確保安全充電。因此，作為整個(gè)電池管理的一部分，智能快速充電器必須能夠監測多個(gè)重要參數。例如，在根據電池制造商規格和建議監測電池溫度和環(huán)境/室溫的情況下，快速充電器可以確定何時(shí)降低充電電流和/或降低端電極電壓，以確保電池安全，延長(cháng)電池的使用壽命。

可以根據溫度調節電壓和電流，以符合六區JEITA溫度設置要求（參見(jiàn)圖6），且基于電池電壓進(jìn)行三區步進(jìn)充電。

圖6 6區JEITA溫度范圍

使用步進(jìn)充電曲線(xiàn)，根據電池電壓改變充電電流，可以進(jìn)一步延長(cháng)電池的使用壽命。圖7顯示使用3個(gè)充電電壓和3個(gè)相應的充電電流的步進(jìn)充電曲線(xiàn)?？梢酝ㄟ^(guò)狀態(tài)機來(lái)管理各級之間的轉換（參見(jiàn)圖7）。

圖7 步進(jìn)充電曲線(xiàn)，使用狀態(tài)機來(lái)管理各級之間的轉換

注意，電流、電壓和溫度都是相互關(guān)聯(lián)的（參見(jiàn)表1和表2）。

并聯(lián)充電

多電池并聯(lián)充電需要額外管理。例如，當兩個(gè)電池的電壓相差超過(guò)400 mV時(shí)，充電器必須防止出現交叉充電。只有當最低電池電量太低，無(wú)法支持系統負載時(shí)，才容許在有限的時(shí)間里進(jìn)行交叉充電（參見(jiàn)表3和圖8）。

表1 充電電流，支持步進(jìn)充電和JEITA

表2 充電電壓，支持步進(jìn)充電和JEITA

表3 FET邏輯管理

在本系列文章的第2部分，我們將探討使用評估套件和樹(shù)莓派板，使用并聯(lián)電池實(shí)現快速充電系統。

圖8 為了防止交叉充電，當電池ΔV >400 mV，會(huì )阻止電壓更高的電池放電

結論

將充電和電量計功能從主機端移動(dòng)到電池包一端，可以單獨控制1S2P配置中的每個(gè)電池。因此不需要由主機MCU完全管理充電，而是智能充電器本身根據優(yōu)化充電曲線(xiàn)來(lái)管理其輸出。由于主機端的管理只是管理電量計生成的ALRT信號，所以系統能夠輕松采用不同的電池包。

必要時(shí)，智能充電器還可以阻止充電和放電，以防出現交叉充電。這種方法無(wú)需考慮電池不匹配問(wèn)題，提高了典型快速充電系統的靈活性。借助快速電池充電技術(shù)，除了簡(jiǎn)化設計和整個(gè)充電流程之外，OEM還可以充分降低功耗，確保廣泛應用的充電和放電安全，并改善用戶(hù)體驗。

關(guān)于作者

Franco Contadini擁有超過(guò)35年的電子行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗。在從事電路板和ASIC設計工作10年之后，他成為現場(chǎng)應用工程師，為工業(yè)、電信和醫療客戶(hù)提供支持，主要負責電源和電池管理、信號鏈、加密系統和微控制器。Franco撰寫(xiě)了多篇關(guān)于信號鏈和電源的應用筆記和技術(shù)文章。他在意大利熱那亞ITIS主修電子學(xué)。

Alessandro Leonardi是ADI米蘭分公司的客戶(hù)經(jīng)理。他擁有米蘭理工大學(xué)的電子工程學(xué)士和碩士學(xué)位。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的現場(chǎng)應用培訓生項目。