充電電路沒(méi)有簡(jiǎn)單事，淺談如何執行高效率設計

　　圖2：鋰離子電池化學(xué)技術(shù)充電曲線(xiàn)。

　　開(kāi)關(guān)模式與線(xiàn)性充電拓撲的對比

　　傳統上來(lái)說(shuō)，手持設備都使用線(xiàn)性充電拓撲。該方法具有諸多優(yōu)勢：低實(shí)施成本、設計簡(jiǎn)捷以及無(wú)高頻開(kāi)關(guān)的無(wú)噪聲運行。但是，線(xiàn)性拓撲會(huì )增加系統功耗，尤其是當電池容量更高引起的充電率增加的時(shí)候。如果設計人員無(wú)法管理設計的散熱問(wèn)題，這就會(huì )成為一個(gè)主要缺點(diǎn)。

　　當PC USB端口作為電源時(shí)，則會(huì )出現其他一些缺點(diǎn)。當今在許多便攜式設計上都具有USB充電選項，并且都可提供高達500mA的充電率。就線(xiàn)性解決方案而言，由于其效率較低，可以從PC USB傳輸的“電能”量就被大大降低，從而導致了充電時(shí)間過(guò)長(cháng)。

　　這就是開(kāi)關(guān)模式拓撲有用武之地的原因。開(kāi)關(guān)模式拓撲的主要優(yōu)勢在于效率的提高。與線(xiàn)性穩壓器不同，電源開(kāi)關(guān)（或多個(gè)開(kāi)關(guān)）在飽和的區域內運行，其大大降低了總體損耗。降壓轉換器*率損耗的主要包括開(kāi)關(guān)損耗（在電源開(kāi)關(guān)中）以及濾波電感中的DC損耗。根據設計參數的不同，在這些應用中出現效率大大高于 95%的情況就不足為奇了。

　　當人們聽(tīng)到開(kāi)關(guān)模式這個(gè)術(shù)語(yǔ)時(shí)大多數人都會(huì )想到大型IC、大PowerFET以及超大型電感！事實(shí)上，雖然對于處理數十安培電流的應用而言確實(shí)是這樣，但是對于手持設備的新一代解決方案而言情況就不一樣了。新一代單體鋰離子開(kāi)關(guān)模式充電器采用了最高級別的芯片集成，高于1MHZ的使用頻率以最小化電感尺寸。圖1說(shuō)明了當今市場(chǎng)上已開(kāi)始銷(xiāo)售的此類(lèi)解決方案。該硅芯片的尺寸不到4mm2，其集成了高側和低側PowerFET。由于采用了3MHz開(kāi)關(guān)頻率，該解決方案要求一個(gè)小型1uH電感，其外形尺寸僅為：2mmx2.5mmx1.2mm（WxLxH）?！　?strong>應用新型充電方案，提高鋰電子電池的充電安全

　　鋰離子電池以其能量密度高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在手機、筆記本電腦市場(chǎng)已經(jīng)完全取代其他電池，占有率幾乎達到了100%。目前，鋰電池正迅速延伸至電動(dòng)工具及其他的應用中，它廣闊的市場(chǎng)前景也越來(lái)越得到業(yè)界的認同。不過(guò)，與鎳氫、鎳鎘、鉛酸電池相比，要更快地推動(dòng)鋰離子電池的應用和發(fā)展，還必須不斷提高它的安全性和使用壽命。本文將從充電器角度，討論一種新型的充電解決方案以提高鋰電池的安全性，延長(cháng)電池使用壽命，同時(shí)降低充電器的成本。

　　在使用電池的過(guò)程中，我們常會(huì )聽(tīng)到電池業(yè)者這樣的一句話(huà)：“電池使用中壞的少，更多的是被充壞的”。這句話(huà)我們可以理解為，不正確的充電條件或方法將更容易損害電池、降低電池的壽命。以18650鈷酸鋰離子電池為例，當充電過(guò)溫，在70℃左右：電解質(zhì)界面（SEI）模開(kāi)始分解并發(fā)熱；120℃左右：電解質(zhì)、正極開(kāi)始熱分解，造成析氣并使溫度迅速上升；在到260℃左右：電池爆炸?；虺潆娺^(guò)壓，以過(guò)壓5.5V來(lái)看，容易使鋰金屬析出，溶劑被氧化，溫度上升，產(chǎn)生惡性循環(huán)，甚至電池著(zhù)火、爆炸。因此，針對如何充電，我們共同來(lái)探討下面幾個(gè)重要的問(wèn)題。

　　為什么需要預充功能？

　　電池工作電壓從2.5V（碳負極電池：3V，電量為0%）到4.2V（電量為100%）。當電壓小于2.5V時(shí)，電池放電終止。同時(shí)因為放電回路關(guān)閉使內部保護電路的電流損耗也降為最低。當然，實(shí)際應用中由于不同的內部材質(zhì)，放電終止電壓可在2.5V-3.0V范圍。當電壓超過(guò)4.2V時(shí)，充電回路終止，以保護電池安全；而當單體電池工作電壓降到3.0V以下，我們即可認為過(guò)放電狀態(tài)，放電回路終止，以保護電池安全。所以電池不用時(shí)，應將電池充電 20%的電量，再進(jìn)行防潮保存。

　　由于鋰離子電池具有較高的能量比，因此在電池使用中要嚴格避免過(guò)充，過(guò)放的現象。過(guò)放會(huì )導致活性物質(zhì)的恢復困難，此時(shí)如果直接進(jìn)入快速沖電模式 （大電流），會(huì )對電池產(chǎn)生損害，影響使用壽命并可能因此帶來(lái)安全隱患。先以小電流（C/10）充到2.5V至3.0V，再轉換成快充是必要的。

　　雖然目前鋰離子電池在應用中都帶有保護板，在通常的情況下，發(fā)生過(guò)放的幾率會(huì )很小，但不加預充功能，在這兩種情況下的情況還是可能帶來(lái)過(guò)放的隱患。一是保護板失效，二是長(cháng)時(shí)間放置（5%-10%/月）的自放電率。因此小電流預充可以有效解決過(guò)放電池的充電問(wèn)題。

　　但是，充電電流并非越大越好。以單體鋰離子電池為例，它的充電方式都包括恒流、恒壓充電過(guò)程，恒壓通常為4.2V（以L(fǎng)iCoO2電池為例），恒流設置值為0.1C～1C。雖然大電流的充電會(huì )縮短充電時(shí)間，但也會(huì )造成電池生命周期的縮短和容量的降低，因此我們需選擇恰當的恒流值進(jìn)行充電。

　　下面是一個(gè)4.2V/900mAH LiCoO2電芯的不同電流充電與電池容量的關(guān)系曲線(xiàn)（圖1），我們可以看出大約500個(gè)充放周期后，小電流充電的電池容量明顯大于大電流充電的電池容量。

　　恒壓充電時(shí)的電壓精度要求

　　作為高能量密度電池，過(guò)充會(huì )對鋰離子電池造成很大的危害，有可能會(huì )膨脹漏液甚至發(fā)生爆炸。而且過(guò)充容易造成電池里面的電解物質(zhì)加快反應而造成電池的使用壽命減短，因此準確的恒壓值充電對鋰離子電池的使用壽命而言有著(zhù)重要的意義。

　　為了更充分地充滿(mǎn)電，要保證恒壓值和終止電壓值的精度在1%之內。以鈷酸鋰離子電池為例，最好能盡可能接近4.2V，但又不超過(guò)4.2V，這種高精度的電壓充電法，可以減少鈷的溶解，穩定LiCoO2的層狀結構，使它的包覆不發(fā)生相變，提高循環(huán)性能，并保持高容量。此外，即使輕微的過(guò)壓也會(huì )帶來(lái)兩個(gè)現象的改變，電池初始容量減小和電池循環(huán)壽命降低。

　　在多節鋰離子電池串聯(lián)的情況下，為保證獲到最大的電池容量和壽命，因此有時(shí)甚至要求精度達到0.5%以?xún)?。所以說(shuō)，充電電壓的精度控制是鋰離子電池充電器的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

　　目前人們對鋰電池充電電壓有這樣一個(gè)誤解，認為有了電池保護板，在電壓精度上不必關(guān)心，這是不可取的。因為電池保護板目的是用于對可能的意外事故進(jìn)行及時(shí)的保護，它考慮的比較多的是安全因素，而不是性能因素。比如以4.2V的電芯為例，保護板的過(guò)壓保護參數是4.30V（有的可能會(huì )要 4.4V），假如每次都過(guò)充，以4.30V作為充電截止點(diǎn)，電池容量也會(huì )很快衰減的。

　　為什么需要充電