應對電池管理的挑戰

2004年5月B版

　　與某些只需簡(jiǎn)單的電流源即可完成再充電的電池不同，鋰離子電池有著(zhù)特殊的需求，為滿(mǎn)足需要各半導體廠(chǎng)商推出了種類(lèi)繁多的IC。半導體業(yè)界將這些產(chǎn)品歸入“電源管理”或“電池管理”一類(lèi)。盡管電池看上去象簡(jiǎn)單的雙端器件，但用戶(hù)必須注意使用方法，才能從中汲取最大的電力。

　　在電池管理IC領(lǐng)域，每一家制造商在將功率從電源傳送給負載方面所采取的方法都不同，他們提供了大量的應用信息，以方便工程師設計出電池管理電路。本文將集中討論充電問(wèn)題，關(guān)注如何管理幾種電源的供電并測量電池中的能量。

　　下面列出設計者希望電池管理IC具有的基本特性：

　　設計者希望通過(guò)外部元件及充電器IC對充電電流進(jìn)行編程設定或者通過(guò)一個(gè)連接到主控微處理器或微控制器的簡(jiǎn)單接口(如I2C)對其量值進(jìn)行編程設置。一個(gè)獨立的充電器不需要動(dòng)態(tài)編程能力，但若設計者計劃讓處理器控制充電操作，他們可能會(huì )希望實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的對電流進(jìn)行設置。

　　設計者需要選擇一個(gè)充電結束電流，以便讓電池管理IC明白電池何時(shí)已經(jīng)充滿(mǎn)。對于鋰離子電池而言，一般在電流大致下降到其正常值10％的時(shí)候停止充電。但設計者可以選擇，譬如說(shuō)，電流下降到正常值的15％來(lái)作為停止充電的極限。他們可以通過(guò)調整連接到IC引腳上的外部元件的參數值或者通過(guò)到一個(gè)處理器的接口連接來(lái)調節這一設定點(diǎn)。設計者還希望能選擇不同的端電壓，如4.1V 或4.2V，以照顧到不同化學(xué)原理的需要或者應付來(lái)自不同供應商的電池。

　　一路或多路充電狀態(tài)輸出可以指示充電循環(huán)進(jìn)行到何種程度。這些信息一般是通過(guò)LED來(lái)顯示的，而且LED還可以指示充電器的一些其他狀態(tài)，如預充電、恒流、恒壓或者充電結束等。這些輸出還能根據情況向主控制器或者其他電路示警?？色@得的狀態(tài)指示功能取決于設計者選擇的IC型號。

　　設計者還必須考慮安全性，如果充電器IC過(guò)熱的話(huà)，它應該能讓充電終止或者切斷到電池的連接。National Semiconductor公司的便攜式電源系統產(chǎn)品開(kāi)發(fā)主管Bruno Kranzen推薦在設計中加入看門(mén)狗定時(shí)器?！半娐凡粦斣噲D對一個(gè)有缺陷的電池無(wú)限期的充電下去，因為這樣做會(huì )損壞電池以及由其供電的系統?！?/P>

　　大多數鋰離子電池組件內帶一個(gè)熱敏電阻，這樣當電池過(guò)熱時(shí)，相應的管理IC可以中斷充電過(guò)程。舉例來(lái)說(shuō)，當電路試圖對電池進(jìn)行過(guò)充電或者將過(guò)大的電流灌入嚴重耗盡的電池時(shí)，就會(huì )出現過(guò)熱現象。在進(jìn)入正常的充電循環(huán)前，耗盡的電池可能需要先以一個(gè)較低的電流(通常小于100mA)進(jìn)行預充電。

(a)National Semiconductor 公司推出的新式LM3658

(b)Texas Instruments公司的bq24020DRC

　　圖1  兩種器件執行類(lèi)似的功能—從AC適配器或者USB連接處獲得電能來(lái)對鋰離子電池充電。外部的信號啟動(dòng)這些充電器IC，并設定USB電流

　　圖2  鋰離子電池和外接電源通過(guò)Linear Technology LTC4055芯片與設備連接。該芯片控制電力發(fā)送的方向——到設備、到電池還是同時(shí)給兩者供電。該芯片的兩種狀態(tài)通過(guò)LED發(fā)光以指示電路的工作情況

發(fā)熱會(huì )造成損傷

　　“發(fā)熱還有另一方面的原因?！?Texas Instruments公司的電源管理產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Peter Fundaro認為。一個(gè)控制FET的線(xiàn)性充電器會(huì )發(fā)熱，所供電的設備也會(huì )發(fā)熱，而且處于充電狀態(tài)的電池亦會(huì )發(fā)熱。發(fā)出的熱量將使溫度升高而使充電器關(guān)閉。但由于設備繼續在外電源驅動(dòng)下運行，它的使用者會(huì )認為電池已經(jīng)充滿(mǎn)，但事實(shí)上并沒(méi)有。

　　如果想讓機器在充電的同時(shí)保持運行，那么發(fā)熱會(huì )造成一些隱患。以前沒(méi)有遇到此類(lèi)問(wèn)題的設計者常常要付出艱苦的努力才能弄清出現了什么問(wèn)題、如何去解決。

　　意識到上述的基本需求，IC供應商Linear Technology、National Semiconductor、Texas Instruments以及其他廠(chǎng)商已經(jīng)設計出各種各樣的器件，可以讓設計者選擇如何控制便攜式裝置中的電池電源(圖1)?？晒┻x擇的范圍覆蓋了從專(zhuān)用的獨立電池管理IC到由處理器控制的器件等各種類(lèi)型的產(chǎn)品。

　　但很多設計者并不想對充電過(guò)程進(jìn)行那么多的控制，各公司為他們提供了各種獨立的、能提供多種功能的IC?！拔覀兲峁┠茏詣?dòng)選擇電源的IC—首先是電池、然后是電池或墻上電源適配器—以確保系統的供電不中斷，” Gurries說(shuō)?！拔覀円呀?jīng)把這種‘綜合能力’放入硬件中了?！?/P>

　　那些想通過(guò)微處理器或微控制器來(lái)進(jìn)行電池管理的工程師們，必須先確保處理器能處理好其主要任務(wù)。因此設計者必須平衡好這些任務(wù)所需的資源和管理電池的電路所需資源之間的分配關(guān)系。對于完整的電池控制來(lái)說(shuō)，處理器可能需要提供模擬和數字I/O引腳，在某些情況下可能還需要為電池管理電路執行定時(shí)器和脈寬調制器功能?！霸O計者還必須寫(xiě)出監管電池管理任務(wù)的代碼，以監測溫度、檢查電池充電水平等等?！盩I的Fundaro先生強調。

分接若干種電源

　　無(wú)論設計者使用獨立的還是基于處理器的電池管理電路，都需要連接到外部電源上，以便對電池進(jìn)行充電、或者提供輔助供電。供電方式的多樣化又帶來(lái)了另一些挑戰?！爱敱銛y式設備包含一個(gè)電池和一個(gè)AC適配器或者墻上電源適配器時(shí)，最好還是在適配器供電下工作?！盕undaro說(shuō)，“但若是用戶(hù)切斷了AC適配器的連接，電源系統必須切換到電池上，而且不能讓設備關(guān)機，這正是這些IC所能執行的另一項功能?！?/P>

　　能依靠多種電源供電的設備中電池管理電路必須要確定：

　　“這是難以解決的問(wèn)題，”Linear Technology公司的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師Tony Armstrong說(shuō)。當用戶(hù)將一個(gè)典型的電池供電的系統連接到AC適配器上時(shí)，所有電能必須首先流經(jīng)一個(gè)線(xiàn)性電池充電器到電池，然后由電池來(lái)驅動(dòng)系統。這種安排使效率降低了30％，因為很多電力浪費在充電器上。如果系統裝的電池已經(jīng)耗盡，電池充電器就將所獲得的大多數電力耗散掉，這些電能不會(huì )到達便攜式設備或者充入電池中?！拔覀兎Q(chēng)之為充電器饋電系統”Armstrong說(shuō)，“因為電池始終為系統供電，所以當你切斷連接時(shí)，你的電池并沒(méi)充滿(mǎn)電?！?/P>

　　另外，人們會(huì )用USB端口作為電源嗎？當然。USB端口可以發(fā)出100mA的電流，而與之相連的裝置與USB主控協(xié)商后可以汲取高達500mA的電流。對電池充電標準而言，這一電流水平看上去并不高，但如果一個(gè)USB裝置內帶一個(gè)電池的話(huà)，它就能利用外部提供的任何電流源進(jìn)行充電。因此如果有人將一個(gè)移動(dòng)電話(huà)或者數碼照像機連接到一個(gè)USB端口上時(shí)，他們不用花費很大代價(jià)就可以在器件保持連接的時(shí)間里對電池進(jìn)行充電。

　　National Semiconductor公司的Kranzen還補充說(shuō)，“人們喜歡以一個(gè)USB來(lái)作為‘油料補給源’。他們可以利用筆記本電腦通過(guò)USB端口對移動(dòng)電話(huà)、PDA或所帶的任何便攜式設備進(jìn)行充電，這樣就無(wú)需在旅行的時(shí)候另外再帶個(gè)充電器了?！?

保留適當的電能

　　無(wú)論人們如何對一個(gè)鋰離子電池進(jìn)行充電，或者使用其電源，他們都想了解電池中還剩余多少電力。電池“油量計”將提供該信息，指示方式常常是條形圖或者其他的顯示器指示。精確的顯示剩余電力的情況，可以盡可能地延長(cháng)用戶(hù)使用其便攜式設備的時(shí)間。這種電量計具有的獨特優(yōu)勢在于：對剩余電力的精確測量可以讓設備以適當的方式關(guān)閉，這樣它能夠在設備完全用盡電力之前將數據存入磁盤(pán)，對系統信息進(jìn)行備份等等。TI公司的Fundaro評價(jià)說(shuō)：“如果一個(gè)裝置不能準確的指示電力水平的話(huà)，人們?yōu)橘徺I(mǎi)昂貴的大容量電池所投入的金錢(qián)就未得到應有的回報。由于不知道離電池用光還有多遠，他們就會(huì )過(guò)于頻繁地對電池進(jìn)行充電，或者充電不充分?！?/P>

　　與一個(gè)能直接測量出燃油液位的汽油油箱內置傳感器不同，電池電量計對流入和流出電池的電子流進(jìn)行測量。這種非直接測量具有自身的一些問(wèn)題?！霸O計者需要記住的是，在一個(gè)應用中，比如說(shuō)1A-h容量的電池，并不能一直提供如此大的功率，”Fundaro說(shuō)?！白岆姵乜焖俜烹娋蜁?huì )使能汲取的電能容量減少，但溫和的放電可以釋放出超過(guò)額定容量的電力。電量計電路必須根據裝置從電池中吸取電力的方式來(lái)確定電池的容量情況?！?/P>

　　與大多數儀表一樣，油量計需要定期的校準。這些重新校準或者重新設定過(guò)程必須在特定條件下進(jìn)行，由系統設計者進(jìn)行規劃。當電池管理IC確認電池無(wú)法再發(fā)出電力時(shí)，IC就讓“油量歸零”，指示電池中沒(méi)有電量剩余。利用存儲在電池管理IC的EEPROM或者FLASH存儲器中的數據或者連接到管理IC引腳的元件，就能完成電量計重設。

　　但是，若一個(gè)電池經(jīng)歷多次能量很小的充、放電循環(huán)之后，電池就永遠也達不到能讓電量計歸零的“用空”狀態(tài)。在這種情況下，電池管理電路可以通知設備將電池完全放電，以便能完成歸零操作，或者電池管理IC根據環(huán)境條件和電池使用循環(huán)等情況將其電量計數據歸零。一些電池管理IC監測使用模式并據此對計量過(guò)程進(jìn)行相應的調整(見(jiàn)圖3)。

　　Fundaro解釋說(shuō)：TI正在研究一種新算法，以電池的阻抗來(lái)計算出剩余容量?！半S著(zhù)時(shí)間的流逝，內阻抗將會(huì )增加，因此電量表可以使用這一信息來(lái)弄清電池的容量變化了多少。下一代阻抗追蹤技術(shù)將減少某些應用中出現的電量計誤差累計現象?！?/P>

　　不要被這些儀表的可編程特質(zhì)嚇到，芯片廠(chǎng)商提供了充分的、關(guān)于電量計電路實(shí)現和任何固件操作方面的信息。 ■