正確選擇與應用好便攜式電子設備中電池技術(shù)

如今的便攜式電子設備中電池技術(shù)包括電量檢測算法、電池充電算法與電池充電技術(shù)等幾個(gè)方面。眾所周知，充電式電池化學(xué)反應有鎳鎘、鎳氫、鋰離子和鋰聚合物4種程式，作為便攜式電子設備來(lái)說(shuō)，雖然這4種電池程式各有特點(diǎn)，但從能量密度與安全性角度的發(fā)展與實(shí)踐可知，鋰離子電池和鋰聚合物電池的優(yōu)勢己成為小型長(cháng)運行時(shí)間的設備的理想之選，比如筆記本電腦以及基于硬盤(pán)的PMP等。對便攜式電子設備工程師來(lái)說(shuō)，正確選擇與應用好便攜式電子設備中電池技術(shù)至關(guān)重要，值此本文將對此作研討，并作應用舉例分析。

1、關(guān)于細流充電、快速充電和穩定充電的電池充電算法

根據最終應用的能量需求，一個(gè)電池組可能包含最多4個(gè)鋰離子或鋰聚合物電池芯，其配置可有多種變化，同時(shí)帶有一個(gè)主流的電源適配器：直接的適配器、USB接口或汽車(chē)充電器。除去電芯數量、電芯的配置或電源適配器類(lèi)型上的差別，這些電池組都有同樣的充電特性。因此它們的充電算法也一樣。鋰離子與鋰聚合物電池最好的充電算法可以分為3個(gè)階段：細流充電、快速充電和穩定充電。

1.1 細流充電

用于對深度放電的電芯進(jìn)行充電。當電芯電壓在低于大約2.8V時(shí)，用一個(gè)恒定的0.1C的電流為它充電。

1.2 快速充電

電芯電壓超過(guò)細流充電的門(mén)檻時(shí)，提高充電電流進(jìn)行快速充電?？焖俪潆婋娏鲬陀?.0C。

1.3 穩定電壓

在快速充電過(guò)程中，一旦電芯電壓達到4.2V，穩定電壓階段就開(kāi)始了。這時(shí)可通過(guò)最小充電電流或定時(shí)器或這兩者的聯(lián)合來(lái)中斷充電。當最小電流低于大約0.07C時(shí)，可中斷充電。定時(shí)器則要靠一個(gè)預設的定時(shí)器來(lái)觸發(fā)中斷。

高級的電池充電器通常帶有附加的安全功能。比如，如果電芯溫度超出給定窗口，通常是0℃--45℃，充電就會(huì )暫停。

除去某些非常低端的設備，現在市面上的鋰離子/鋰聚合物電池充電方案都集成或是帶有外置的元件，以便按照充電特性進(jìn)行充電，這不光是為了取得更佳充電效果，同時(shí)也是為了安全。

1.4 鋰離子/聚合物電池的充電算應用舉例-雙輸入1.2A鋰電池充電器LTC4097

LTC4097可用于交流適配器或USB電源為單節鋰離子/聚合物電池充電。圖1為雙輸入1.2A鋰電池充電器LTC4097示意圖。它采用恒定電流/恒定電壓算法充電，從交流適配器電源充電時(shí)，可編程充 電電流高達1.2A，而用USB電源則可高達1A，同時(shí)自動(dòng)檢測在每個(gè)輸入端是否存在電壓。該器件還提供USB限流。應用包括PDA、MP3播放器、數碼 相機、輕型便攜式醫療和測試設備以及大彩屏蜂窩電話(huà)。其性能特點(diǎn)：無(wú)需外部微控制器終止充電；輸入電源自動(dòng)檢測和選擇；通過(guò)電阻從交流適配器輸入充電的可編程充電電流高達1.2A；通過(guò)電阻的可編程 USB充電電流高達1A；100%或20% USB充電電流設置；輸入電源存在輸出和NTC偏置（VNTC）引腳具120mA驅動(dòng)能力；NTC熱敏電阻輸入（NTC）引腳用于溫度合格的充電；預設置電池浮動(dòng)電壓具±0.6%的準確度；熱調節最大限度地提高充電速率且無(wú)過(guò)熱風(fēng)LTC4097可用于交流適配器或USB電源為單節鋰離子/聚合物電池充電。其采用恒定電流/恒定電壓算法充電，從交流適配器電源充電時(shí)，可編程充電電流高達1.2A，而用USB電源則可高達1A，同時(shí)自動(dòng)檢測在每個(gè)輸入端是否存在電壓。該器件還提供USB限流。應用包括PDA、MP3播放器、數碼 相機、輕型便攜式醫療和測試設備以及大彩屏蜂窩電話(huà)。

2、鋰離子/聚合物電池充電方案

鋰離子/聚合物電池的充電方案對于不同數量的電芯、電芯配置以及電源類(lèi)型還是不同的。目前主要有3種主要的充電方案：線(xiàn)性，Buck(降壓)開(kāi)關(guān)和SEPIC(升壓與降壓)開(kāi)關(guān)。

2.1 線(xiàn)性方案

當充電器輸入電壓大于全充滿(mǎn)電芯加上充足凈空之后的開(kāi)路電壓時(shí)，最好用線(xiàn)性方案，特別是1.0C快速充電電流不比1A大太多時(shí)。比如，MP3播放器通常只有一個(gè)電芯，容量從700到1500mAh不等，滿(mǎn)充開(kāi)路電壓是4.2V。MP3播放機的電源通常是AC/DC適配器或者是USB接口，其輸出是規則的5V；這時(shí)，線(xiàn)性方案的充電器就是最簡(jiǎn)單、最有效率的方案。圖2所示為鋰離子/聚合物電池充電方案線(xiàn)性方案，基本結構和線(xiàn)性電壓規整器一樣。

線(xiàn)性方案的充電器應用例舉-雙輸入Li+充電器及智能電源選擇器MAX8677A MAX8677A是雙輸入USB/AC適配器線(xiàn)性充電器，內置Smart Power Selector，用于由可充電單節Li+電池供電的便攜式設備。該充電器集成了電池和外部電源充電和切換負載所需的全部功率開(kāi)關(guān)，因此無(wú)需外部 MOSFET。MAX8677A理想用于便攜式設備，例如智能手機、PDA、便攜式多媒體播放器、GPS導航設備、數碼相機、以及數碼攝像機。

MAX8677A可以工作于獨立的USB和AC適配器電源輸入下或兩個(gè)輸入中的任意一個(gè)輸入下。當連接外部電源時(shí)，智能電源選擇器允許系統不連接電池或可以與深度放電電池連接。智能電源選擇器自動(dòng)將電池切換到系統負載，使用系統未利用的輸入電源部分為電池充電，充分利用有限的USB和適配器輸入電源。所有需要的電流檢測電路，包括集成的功率開(kāi)關(guān)，均集成于片上。DC輸入電流限最高可調節至2A，而DC和USB輸入均可支持100mA、500mA和USB掛起模式。充電電流可調節至高達1.5A，從而支持 寬范圍的電池容性。MAX8677A的其他特性包括熱調節、過(guò)壓保護、充電狀態(tài)和故障輸出、電源好監視、電池熱敏電阻監視、以及充電定時(shí)器。MAX8677A采用節省空間的、熱增強型、4mm×4mm、24引腳的TQFN封裝，規定工作于擴展級溫度范圍(-40～+85℃)。

2.2 Buck(降壓)開(kāi)關(guān)方案

當1.0C充電的電流大于1A，或者輸入電壓比電芯的全充滿(mǎn)開(kāi)路電壓高很多時(shí)，Buck或者降壓方案就是一個(gè)更好的選擇。比如，在基于硬盤(pán)的PMP中，通常使用單芯鋰離子電池，全充滿(mǎn)開(kāi)路電壓是4.2V，容量從1200到2400mAh不等。而現在PMP通常是用汽車(chē)套件來(lái)充電，它的輸出電壓在9V到16V之間。在輸入電壓和電池電壓之間比較高的電壓差(最小4.8V)會(huì )讓線(xiàn)性方案降低效率。這種低效率，加上大于1.2A的1C快速充電電流，會(huì )產(chǎn)生嚴重的散熱問(wèn)題。為避免這種情況，就要采用Buck方案。圖3為鋰離子/聚合物電池Buck充電器方案示意圖，基本結構同Buck(降壓)開(kāi)關(guān)電壓調節器完全相同。

2.3 SEPIC(升壓與降壓)開(kāi)關(guān)方案

在某些使用3個(gè)甚至4個(gè)鋰離子/聚合物電芯串聯(lián)的設備中，充電器的輸入電壓就不總是大于電池電壓。比如，筆記本電腦使用3芯鋰離子電池組，滿(mǎn)充開(kāi)路電壓是12．6V(4．2V x3)，容量從1800mAh到3600mAh。輸入電源要么是輸出電壓1 6V的AC/DC適配器，要么是汽車(chē)套件，輸出電壓在9V到16V之間。很顯然地，線(xiàn)性和Buck方案都不能為這組電池組充電。這就要用上SEPIC方案，它能在輸出電壓高于電池電壓時(shí)工作，也能在輸出電壓低于電池時(shí)工作。

3、電量檢測算法

許多可攜式產(chǎn)品都利用電壓測量值來(lái)估計電池剩馀電量，但是電池電壓與剩馀電量的關(guān)系卻會(huì )隨著(zhù)放電率、溫度和電池老化程度而改變，使這種方法的誤差率最高可達50％。市場(chǎng)對使用時(shí)間更長(cháng)的產(chǎn)品需求不斷增強，因此系統設計人員需要更加精確的解決方案。使用電量檢測計吧來(lái)測量電池充人或消耗的電量，將能夠在很寬的應用電源級別范圍內提供更精確的電池電量估測。

3.1 電量檢測算法應用舉例之一，功能完整的單/雙電池便攜式應用電池組設計

3.11 電量檢測原理

較好的電量檢測計至少要具備電池電壓、電池組溫度和電流、測量方法；一個(gè)微處理9a；和一套及業(yè)經(jīng)驗證的電量檢測算法。bq2650x及bq27x00是功能完整的電量檢測計，具有一個(gè)測量電壓與溫度的模數轉換器(ADC)和一個(gè)測量電流與充電感測的模數轉換器。這些電量檢測計還具有一個(gè)微處理器，負責執行德州儀器的電量檢測算法。這些演算法會(huì )補償鋰離子電池的自放電、老化、溫度和放電率等因素。晶片內含微處理器為主機系統處理器省下這些計算負擔。