锂离子电池的全新电池充电解决方案

集合在线——全球首个电子元器件团购平台过去数年，高效率、轻巧、快速充电、安全且符合成本效益的可携式电源需求逐渐升高，因此业界陆续开发多种新式电池技术，包括镍金属氢化物(NiMH)、可充电式硷性、锂离子(Li-ion)、和锂聚合物(Li-poly)电池等。一般来说，这些新的电池化学机制需要更精细的充电和保护电路，才能达到最大效能并确保安全性。幸好，业界也同样开发出先进的半导体元件，能对这些电池进行充电和保护。本文将探索这些新式电池技术的效能和限制，也将探讨并介绍一些半导体供应商针对锂离子电池所推出的新式充电解决方案，例如MaximIntegrated,LinearTechnology和TexasInstruments。电池技术在可携式电子设备领域中，近几年出现了一些崭新的可充电式电池化学机制，足以和长久以来受到爱用的镍镉(NiCd)技术竞争。因为镍镉技术具有低阻抗的特性，可在短时间内达到高电流，因此NiCd技术依然在动力工具等应用中受到欢迎。然而，智慧型手机、平板装置与数位相机等现代可携式应用的设计人员，目前皆追求比NiCd具有更高容量且更低放电率的电池。此外，这些应用皆需要能快速充电且轻质的电池。符合这些需求的电池技术包括镍金属氢化物(NiMH)、锂离子(Li-ion)和锂聚合物(Li-poly)电池。NiMH电池具有更大容量和更快的充电速度，但却具有NiCd两倍高的自放电率，相对来说是较高的比率（表1）。电池重要参数表1：不同化学类型的电池重要参数（资料来源：MaximIntegrated）集合在线——全球首个电子元器件团购平台诚如MaximIntegrated的AN676应用说明所述1，锂离子和锂聚合物电池在可携式产品中受到欢迎，因其具有比NiCd和NiMH电池高出许多的容量和低许多的放电率。此外，应用说明中也指出锂离子电池的重量减轻许多。因此，与NiMH相比，锂离子电池的每单位质量能提供几乎两倍的容量。然而，锂离子电池亦具有几项限制。Maxim指出锂离子电池对於过度充电和充电不足非常敏感。过压会对电池导致永久损害，重复放电到超低电压则会导致容量减少。因此，为了保护电池，充电解决方案必须在放电和充电时限制电池的电流和电压。有监於此，锂离子电池组通常含有一定的欠压和过压防护电路，并具有保险丝可预防暴露在过电流情况。此外，Maxim的工程师表示，此类电池组亦含有开关，能在高压导致排放时将电池开路。NiCd和NiMH电池需要电流来源以便进行充电，但锂离子电池的不同之处在於，必须用电流和电压的来源组合进行充电。为了达到最大充电效能但又不造成损害，多数锂离子充电器会在输出电压上维持1%的容差。通常不建议采用更严格的容差，否则会提高困难度并增加成本。一般而言，只为了稍微增加容量并不值得增添更多麻烦。单芯锂离子充电器对行动电话和其他类似装置而言，偏好的电池充电方法包括采用称为「充电座」的独立单元，将装置或电池组置於其中。根据Maxim的资料，线性、单芯锂离子或锂聚合物充电器适合用於充电座。由於电池组或充电器单元彼此独立，而非整合在装置内部，因此较不需担忧其产生的热能。在此情况下，线性稳压器会针对在线性区域内运作的开关电晶体，降低DC电源和电池之间的电压差异。由於充电器受限於小型空间，建议采用气流散热预防功率耗散导致过热。Maxim的线性单芯锂离子充电器的型号为MAX846A。此元件具有0.5%精准度的参考，因此能对需要严格电压精准度的锂离子电池芯进行安全充电。用来控制低成本外部PNP电晶体（或P通道MOSFET）的电压和电流调节回路彼此独立。如图1所示，FairchildSemiconductor的外部功率电晶体FZT749会将电源电压降低至电池电压，并负责电路的多数功率耗散。因此能达到更稳定的内部参考，产生更稳定的电池电压限制。MaximMAX846A集合在线——全球首个电子元器件团购平台图1：线性单芯锂离子充电器MAX846A会驱动外部功率电晶体(Q1)，将电源电压降低至电池电压。在此电路中，R1和R3会决定输出电流。R1会感测充电电压，R3会设定电流调节位准。ISET端子的电流等於CS+和CS-之间电压的1/1000。稳流器会将ISET电压控制在2A。因此，电流限制[2,000/(R3*R1)]为1A。诚如Maxim的应用说明所述，电压和电流限制的控制回路具有个别的补偿点（CCV和CCI），能将稳定限制的作业简化。ISET和VSET端子能调整电流和电压限制。TexasInstruments也是针对有限空间可携式应用推出线性充电器的供应商之一。TI的高度整合bp24040系列充电器IC，预计用於单芯锂离子和锂聚合物电池。此系列充电器能处理高输入电压范围，可由USB连接埠或低成本的AC配接器进行操作。根据TI的资料，bp2404x元件会以三个阶段对电池进行充电：调节、恒定电流和恒定电压。在所有充电阶段中，内部控制回路皆会监测IC接面温度，若超过内部温度阈值，则会降低充电电流。LinearTechnology也推出类似的独立式锂离子电池充电器LTM8061，针对单芯和双芯锂离子和锂聚合物电池组进行最佳化，并提供固定式浮动电压选项，包括4.1、4.2、8.2和8.4V。提供恒定电流／恒定电压充电特性，最大充电电流高达2A。微型模组(μModule)电池充电器的规格书指出，此产品属於完整的系统级封装(SiP)充电解决方案，在精巧的表面黏着式LGA封装中整合DC/DC控制器、功率电晶体、输入和输出电容、补偿元件以及电感。因此，LTM8061架构的单芯锂离子充电器仅需使用最少数量的外接元件（图2）。LinearTech的μModule电池充电器LTM8061图2：μModule电池充电器LTM8061是适合锂离子单芯电池的完整系统级封装(SiP)充电解决方案。提供整合式充电器IC，对锂离子和锂聚合物单芯电池组进行充电的其他供应商还包括FairchildSemiconductor、Intersil以及STMicroelectronics。集合在线——全球首个电子元器件团购平台两个以上电池芯进行充电能对两个串联锂离子电池芯充电的类似电路如图3所示。此电路采用Maxim的MAX745切换模式锂离子电池充电器，提供90%的效率。MAX745在晶片上整合所有必要功能，能对锂离子电池组进行充电，提供高达4A且不会过热的调节充电电流，而且在电池端子仅有±0.75%总误差的调节电压。此元件采用低成本的1%电阻设定输出电压，并采用低成本的N通道MOSFET做为电源开关。采用彼此合作的两个回路，在电压和电流调节之间顺畅切换，藉此达到电压设定点和充电电流的调节。各电池芯的电池电压调节限制系由标准1%电阻设定在4和4.4V之间。Maxim的MAX745图3：MAX745是切换模式充电器，提供所有必要功能，能对串联的多重锂离子电池芯进行充电。TexasInstruments和LinearTechnology等供应商提供整合式IC，能对串联的两个锂离子电池芯进行充电。能对单芯或多芯锂离子电池进行充电的元件选择相当多，设计人员必须先检视其需求，例如输入电压、充电电流、充电方法、防护能力、USB规格、成本等重要项目，之後再选择适合其应用的电池充电器IC。本文引用自集合在线前沿论坛