眾所周知,充電式電池化學(xué)反應(yīng)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(shè)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(shì)己成為小型長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的設(shè)備的理想之選，比如筆記本電腦以及基于硬盤(pán)的pMp等.對(duì)便攜式電子備工程師來(lái)說(shuō)，正確選擇與應(yīng)用好便攜式電子備中電池技術(shù)至關(guān)重要,值此本文將對(duì)此作研討,并作應(yīng)用舉例分析.

　　1、有關(guān)細(xì)流充電、快速充電和穩(wěn)定充電的電池充電算法根據(jù)最終應(yīng)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(shù)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相同。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(xì)流充電、快速充電和穩(wěn)定充電。*細(xì)流充電.用于對(duì)深度放電的電芯進(jìn)行充電。當(dāng)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。

　　*快速充電.電芯電壓超過(guò)細(xì)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?yīng)低于1.0C。*穩(wěn)定電壓。在快速充電過(guò)程中，一旦電芯電壓達(dá)到4.2V，穩(wěn)定電壓階段就開(kāi)始了。這時(shí)可通過(guò)最小充電電流或按時(shí)器或這兩者的聯(lián)合來(lái)中斷充電.當(dāng)最小電流低于大約0.07C時(shí)，可中斷充電。按時(shí)器則要靠一個(gè)預(yù)設(shè)的按時(shí)器來(lái)觸發(fā)中斷。

　　高級(jí)的電池充電器通常帶有附加的安全功能。比如，假如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(shè)備，現(xiàn)在市面上的鋰離子/鋰聚合物電池充電方法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。

　　*鋰離子/聚合物電池的充電算應(yīng)用舉例-雙輸入1.2A鋰離子電池充電器LTC4097

　　LTC4097可用于交流適配器或USB電源為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電。圖1為雙輸入1.2A鋰離子電池充電器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(dá)1.2A，而用USB電源則可高達(dá)1A，同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)在每個(gè)輸入端是否存在電壓。該器件還供應(yīng)USB限流。應(yīng)用包括pDA、Mp3播放器、數(shù)碼相機(jī)、輕型便攜式醫(yī)療和測(cè)試設(shè)備以及大彩屏蜂窩電話。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(cè)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(dá)1.2A;通過(guò)電阻的可編程USB充電電流高達(dá)1A;100%或20%USB充電電流設(shè)置;輸入電源存在輸出和NTC偏置(VNTC)引腳具120mA驅(qū)動(dòng)能力;NTC熱敏電阻輸入(NTC)引腳用于溫度合格的充電;預(yù)設(shè)置電池浮動(dòng)電壓具±0.6%的準(zhǔn)確度;熱調(diào)節(jié)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(jié)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(dá)1.2A，而用USB電源則可高達(dá)1A，同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)在每個(gè)輸入端是否存在電壓。該器件還供應(yīng)USB限流。應(yīng)用包括pDA、Mp3播放器、數(shù)碼相機(jī)、輕型便攜式醫(yī)療和測(cè)試設(shè)備以及大彩屏蜂窩電話。

　　2、鋰離子/聚合物電池充電方法鋰離子/聚合物電池的充電方法關(guān)于不同數(shù)量的電芯、電芯配置以及電源類(lèi)型還是不同的。目前重要有3種重要的充電方法：線性，Buck(降壓)開(kāi)關(guān)和SEpIC(升壓與降壓)開(kāi)關(guān)。

　　2.1線性方法當(dāng)充電器輸入電壓大于全充滿電芯加上充足凈空之后的開(kāi)路電壓時(shí)，最好用線性方法，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，滿充開(kāi)路電壓是4.2V。Mp3播放機(jī)的電源通常是AC/DC適配器或者是USB接口，其輸出是規(guī)則的5V;這時(shí)，線性方法的充電器就是最簡(jiǎn)單、最有效率的方法。圖2所示為鋰離子/聚合物電池充電方法線性方法,基本結(jié)構(gòu)和線性電壓規(guī)整器相同。

　　*線性方法的充電器應(yīng)用例舉-雙輸入Li+充電器及智能電源選擇器MAX8677AMAX8677A是雙輸入U(xiǎn)SB/AC適配器線性充電器，內(nèi)置SmartpowerSelector，用于由可充電單節(jié)Li+電池供電的便攜式設(shè)備。該充電器集成了電池和外部電源充電和切換負(fù)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(shè)備，例如智能手機(jī)、pDA、便攜式多媒體播放器、GpS導(dǎo)航設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、以及數(shù)碼攝像機(jī)。

　　MAX8677A可以工作于獨(dú)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(dāng)連接外部電源時(shí)，智能電源選擇器允許系統(tǒng)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(tǒng)負(fù)載，使用系統(tǒng)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。所有要的電流檢測(cè)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)至高達(dá)1.5A，從而支持寬范圍的電池容性。MAX8677A的其他特性包括熱調(diào)節(jié)、過(guò)壓保護(hù)、充電狀態(tài)和故障輸出、電源好監(jiān)視、電池?zé)崦綦娮璞O(jiān)視、以及充電按時(shí)器。MAX8677A采用節(jié)省空間的、熱增強(qiáng)型、4mm4mm、24引腳的TQFN封裝，規(guī)定工作于擴(kuò)展級(jí)溫度范圍(-40～+85℃)。

　　2.2Buck(降壓)開(kāi)關(guān)方法當(dāng)1.0C充電的電流大于1A，或者輸入電壓比電芯的全充滿開(kāi)路電壓高很多時(shí)，Buck或者降壓方法就是一個(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，全充滿開(kāi)路電壓是4.2V，容量從1200到2400mAh不等。而現(xiàn)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)讓線性方法降低效率。這種低效率，加上大于1.2A的1C快速充電電流，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的散熱問(wèn)題。為防止這種情況，就要采用Buck方法。圖3為鋰離子/聚合物電池Buck充電器方法示意圖,基本結(jié)構(gòu)同Buck(降壓)開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器完全相同。

　　2.3SEpIC(升壓與降壓)開(kāi)關(guān)方法在某些使用3個(gè)甚至4個(gè)鋰離子/聚合物電芯串聯(lián)的設(shè)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，滿充開(kāi)路電壓是12.6V(4.2Vx3)，容量從1800mAh到3600mAh。輸入電源要么是輸出電壓16V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，線性和Buck方法都不能為這組電池組充電。這就要用上SEpIC方法，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(cè)算法許多可攜式產(chǎn)品都利用電壓測(cè)量值來(lái)估計(jì)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(dá)50%。市場(chǎng)對(duì)使用時(shí)間更長(zhǎng)的產(chǎn)品需求不斷增強(qiáng)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員要更加精確的解決方法。使用電量檢測(cè)計(jì)吧來(lái)測(cè)量電池充人或消耗的電量，將能夠在很寬的應(yīng)用電源級(jí)別范圍內(nèi)供應(yīng)更精確的電池電量估測(cè)。3.1電量檢測(cè)算法應(yīng)用舉例之一,功能完整的單\雙電池便攜式應(yīng)用電池組設(shè)計(jì)*電量檢測(cè)原理.較好的電量檢測(cè)計(jì)至少要具備電池電壓、電池組溫度和電流、測(cè)量方法;一個(gè)微處理9a;和一套及業(yè)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)證的電量檢測(cè)算法。bq2650x及bq27x00是功能完整的電量檢測(cè)計(jì)，具有一個(gè)測(cè)量電壓與溫度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個(gè)測(cè)量電流與充電感測(cè)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這些電量檢測(cè)計(jì)還具有一個(gè)微處理器，負(fù)責(zé)執(zhí)行德州儀器的電量檢測(cè)算法。這些演算法會(huì)補(bǔ)償鋰離子電池的自放電、老化、溫度和放電率等因素。晶片內(nèi)含微處理器為主機(jī)系統(tǒng)處理器省下這些計(jì)算負(fù)擔(dān).電量檢測(cè)計(jì)能夠供應(yīng)剩余電量狀態(tài)等信息，bq27x00系列產(chǎn)品還供應(yīng)剩余可運(yùn)行時(shí)間(RunTimetoEmpty)主機(jī)可隨時(shí)向電量檢測(cè)計(jì)查詢這些信息，再透過(guò)LED指示燈或屏幕顯示將電池信息通知用戶。電量檢測(cè)計(jì)的使用非常方便，系統(tǒng)處理器僅要配置12C或HDQ通信驅(qū)動(dòng)器即可。*電池組電路描述.圖4(a)為可選用具有鑒定功能IC的典型的電池組應(yīng)用電路。根據(jù)所使用電量檢測(cè)計(jì)IC的不同，電池組至少要有三到四個(gè)外部終端。

　　VCC及BAT引腳會(huì)連到電池電壓，以便為，C供電及測(cè)量電池電壓。電池接地端連接了一個(gè)電阻值較小的檢測(cè)電阻器，讓電量檢測(cè)計(jì)的高阻抗SRp及SRN輸入端能夠監(jiān)控感測(cè)電阻兩端的電壓。通過(guò)流經(jīng)檢測(cè)電阻器的電流可用來(lái)判斷電池充入或釋放的電量。設(shè)計(jì)人員選擇檢測(cè)電阻值時(shí)必須考慮電阻兩端的電壓不能超過(guò)100mV，過(guò)低的電阻值可能會(huì)在電流較小時(shí)出現(xiàn)誤差。電路板布局必須確保從SRp及SRN到檢測(cè)電阻器的連接要盡可能靠近感測(cè)電阻端;換言之，它們應(yīng)該是采用Kelvin連線。

　　HDQ引腳要外部上拉電阻器，該電阻應(yīng)位于主機(jī)或主應(yīng)用端，這樣電量檢測(cè)計(jì)才能在電池組與便攜式設(shè)備連接斷開(kāi)時(shí)啟用睡眠功能。建議上拉電阻值選用10kΩ。

　　*電池組鑒定。價(jià)格低廉的偽冒電池的問(wèn)題日益嚴(yán)重，這些電池可能不包含OEM廠商要求的安全保護(hù)電路。所以，真品電池組可包含圖4(a)所示的鑒定電路。當(dāng)要鑒定電池時(shí)，主機(jī)向含有IC(bq26150.用途是循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC))的電池組發(fā)出一個(gè)詢問(wèn)值(challenge)，電池組所含的CRC會(huì)根據(jù)這個(gè)詢問(wèn)值和，IC中內(nèi)建的CRC多項(xiàng)式計(jì)算這個(gè)CRC值。CRC是基于主機(jī)的查詢命令與IC中秘密含義的CRC多項(xiàng)式完成的，主機(jī)也會(huì)進(jìn)行CRC值計(jì)算井與電池組的計(jì)算結(jié)果比較以確定鑒定是否成功。

　　一旦電池通過(guò)鑒定，bq26150則會(huì)發(fā)出指令以確保主機(jī)與電量檢測(cè)計(jì)之間的資料線路通訊正常。當(dāng)電池連接中斷或重新連接時(shí)，整個(gè)鑒定過(guò)程將重復(fù)一次。

　　*雙電池應(yīng)用。圖4(b)為使用bq26500支持雙體鋰離子電池的典型應(yīng)用電路。為了支持多顆電池，此電路新增一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓器。電量檢測(cè)計(jì)的BAT引腳與最下面一節(jié)電池的負(fù)極相連，以完成可變電池組電壓的測(cè)量。

　　主機(jī)要能夠讀懂電量檢測(cè)計(jì)測(cè)量的可變電池組電壓，以確定放電結(jié)束閾值以及充電終止閾值。至於電量剩余狀態(tài)(RemainingStateofCapacity)等，則不要解讀就能直接使用。

　　上述bq2650x及bq27x00等電量檢測(cè)計(jì)供應(yīng)電池制造商一個(gè)簡(jiǎn)單易用的選擇方法，該方法L[僅僅測(cè)量電池電壓要精確很多，這些電量檢測(cè)計(jì)可用於各種電池架構(gòu)，并可支持電池鑒定及雙電池應(yīng)用

　　3.2電量檢測(cè)算法應(yīng)用舉例之二,能適用于各種通用電量計(jì)的新型IC.

　　當(dāng)今不少制造廠商可供應(yīng)種類(lèi)豐富的電量計(jì)IC,，用戶可從中選取合適的功能器件，以優(yōu)化產(chǎn)品的性價(jià)比。利用電量計(jì)貯測(cè)量的電池參數(shù)，這種分離式架構(gòu)允許用戶在主機(jī)內(nèi)定制電量計(jì)量算法.從而省去電池組內(nèi)嵌處理器的成本。值此以Dallasesemicconductor公司名為例的DS2762芯片作典型分析.一新型分離式電量計(jì)IC,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5(a)所示.*DS2762應(yīng)用特點(diǎn)

　　DS2762是一款單節(jié)鋰離子電池電量計(jì)與保護(hù)電路，集成于一片微小的2.46mm2.74mm倒裝片封裝。由于內(nèi)部集成了用于電量檢測(cè)的高精密電阻，該款器件非常節(jié)省空間。它所具有的小尺寸和無(wú)可比擬的高集成度，關(guān)于移動(dòng)電話電池組及其它類(lèi)似的手持產(chǎn)品，如pDA等，都非常理想。集成的保護(hù)電路持續(xù)地監(jiān)視電池的過(guò)壓、欠壓和過(guò)流故障(充電或放電期間)。不同于獨(dú)立的保護(hù)IC，DS2762允許主處理器監(jiān)視/控制保護(hù)FET的導(dǎo)通狀態(tài)，這樣，可以通過(guò)DS2762的保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源控制。DS2762也可以充電一個(gè)已深度消耗的電池，當(dāng)電池電壓不足3V時(shí)，供應(yīng)一條限制電流的恢復(fù)充電路徑。

　　DS2762能夠精確監(jiān)視電池電流、電壓和溫度，其動(dòng)態(tài)范圍與分辨率滿足任何通行的移動(dòng)通信產(chǎn)品的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)得的電流對(duì)內(nèi)部出現(xiàn)的時(shí)基進(jìn)行積分，實(shí)現(xiàn)電量計(jì)量。通過(guò)實(shí)時(shí)、持續(xù)的自動(dòng)失調(diào)糾正，電量計(jì)量的精度得以提高。內(nèi)置的檢測(cè)電阻消除了因制造工藝和溫度而造成的電阻變化，進(jìn)一步提高了電量計(jì)的精度。重要數(shù)據(jù)保存于32字節(jié)、可加鎖的EEpROM;16字節(jié)的SRAM用于保存動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。與DS2762的所有通信均通過(guò)1-Wire、多節(jié)點(diǎn)通信接口進(jìn)行，最大限度減少了電池組與主機(jī)的連線。其重要特點(diǎn)為;單節(jié)鋰離子電池保護(hù)器;高精度電流(電量計(jì)量)、電壓和溫度測(cè)量;可選的集成25mΩ檢測(cè)電阻，每個(gè)DS2762經(jīng)過(guò)單獨(dú)微調(diào);0V電池恢復(fù)充電;32字節(jié)可加鎖EEpROM，16字節(jié)SRAM，64位ROM;

　　1-Wire，多節(jié)點(diǎn)，數(shù)字通信接口;支持多電池組電源管理，并通過(guò)保護(hù)FET實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源控制;休眠模式下電源電流僅2μA(最大);工作模式下電源電流為90μA(最大);2.46mm2.74mm倒裝片封裝或16引腳下SSOp封裝，兩者均可選擇帶或不帶檢測(cè)電阻;復(fù)具有備有評(píng)估板.

　　4、結(jié)論應(yīng)用好便攜式電子備的電池技術(shù)是選擇鋰離子電池和鋰聚合物電池及其充電器的基礎(chǔ).之于如何正確選擇,還必須視便攜式電子備的具體要求而定。