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电池电压拓扑电池与充电管理:选择与权衡因素

引言

  便携式电子设备设计人员可以选择各种各样的化学技术、充电器拓扑以及充电管理解决方案。选择一款最为合适的解决方案应该是一项很简单的工作,但是在大多数情况下这一过程颇为复杂。设计人员需要在性能、成本、外形尺寸以及其他关键要求方面找到一个最佳平衡点。本文将为广大设计人员和系统工程师提供一些指导和帮助以使得该选择工作变得更为轻松。

  以 3 “C”开始实现充电控制

  所有使用可充电电池的系统设计人员都需要清楚一些基础设计技术,以确保满足下面三个关键的要求:

  1、电池安全性: 毋庸置疑,终端用户安全是所有系统设计中最优先考虑的问题。大多数锂离子 (Li-Ion) 电池组和锂聚合物 (Li-Pol) 电池组都含有保护电子电路。然而,还有一些系统设计需要考虑的关键因素。其中包括但不局限于确保在锂离子电池充电最后阶段期间±1%的稳压容限、安全处理深度放电电池的预处理模式、安全计时器以及电池温度监控。

  2、电池容量:所有的电池充电解决方案都要确保在每一次和每一个充电周期都能将电池容量充至充满状态。过早的终止充电会导致电池运行时间缩短,这是当今高功耗的便携式设备所不希望的。

  3、电池使用寿命:遵循建议的充电算法是确保终端用户实现每个电池组最多充电周期的重要一步。利用电池温度和电压限定每一次充电、预处理深度放电电池并避免过晚或非正常充电终止是最大化电池使用寿命所必须的一些步骤。

表1 充电控制总结

  电池化学技术的选择

  现在系统设计人员可以在多种电池化学技术中进行选择。设计 人员通常会根据下面的一些标准进行电池化学技术的选择,其中包括:

  能量密度  规格和外形尺寸  成本  使用模式和使用寿命

  近年来,尽管使用锂离子电池和锂聚合物电池的趋势增强,但是Ni电池化学技术仍然是诸多消费类应用一个不错的选项。

  无论选择何种电池化学技术,遵循每一种电池化学技术的正确充电管理技术都是至关重要的。这些技术将确保电池在每一次和每个充电周期都能被充至最大容量,而不会降低安全性或缩短电池使用寿命。

  NiCd / NIMH

  在一个充电周期开始之前,并且尽可能在开始快速充电之前对镍镉 (NiCd) 电池和镍氢 (NiMH) 电池必须要进行检验和调节。如果电池电压或温度超出了允许的极限是不允许进行快速充电的。出于安全考虑,对所有“热”电池(一般高于45°C)的充电工作都会暂时终止,直到电池冷却到正常工作温度范围内才会再次运转。要想处理一个“冷”电池(一般低于10°C)或过度放电的电池(每节电池通常低于1V),需要施加一个温和的点滴式电流。

  当电池温度和电压正确时快速充电开始。通常用1C或更低的恒定电流对NiMH电池进行充电。一些NiCd电池可以用高达4C的速率进行充电。采用适当的充电终止来避免有害的过充电。

  就镍基可充电电池而言,快速充电终止基于电压或温度。如图1所示,典型的电压终止方法是峰值电压探测,在峰值时即每个电池的电压在0~-4mV范围内,快速充电被终止。基于温度的快速充电终止方法是观察电池温度上升率 ΔT/Δt 来探测完全充电。典型的ΔT/Δt率为1°C/每分钟。

  

图1 镍电池化学技术的充电曲线

  锂离子/锂聚合物电池

  与NiCd电池和NiMH电池相类似,在快速充电之前尽可能检验并调节锂离子电池。验证和处理方法与上述使用的方法相类似。

  如图2所示,验证和预处理之后,先用一个1C或更低的电流对锂离子电池进行充电,直到电池达到其充电电压极限为止。该充电阶段通常会补充高达70%的电池容量。然后用一个通常为4.2V的恒定电压对电池进行充电。为将安全性和电池容量,必须要将充电压稳定在至少±1%。在此充电期间,电池汲取的充电电流逐渐下降。就1C充电率而言,一旦电流电平下降到初始充电电流的10-15%以下充电通常就会终止。

图2 锂离子电池化学技术充电曲线

  开关模式与线性充电拓扑的对比

  传统上来说,手持设备都使用线性充电拓扑。该方法具有诸多优势:低实施成本、设计简捷以及无高频开关的无噪声运行。但是,线性拓扑会增加系统功耗,尤其是当电池容量更高引起的充电率增加的时候。如果设计人员无法管理设计的散热问题,这就会成为一个主要缺点。

  当PC USB端口作为电源时,则会出现其他一些缺点。当今在许多便携式设计上都具有USB充电选项,并且都可提供高达500mA的充电率。就线性解决方案而言,由于其效率较低,可以从PC USB传输的“电能”量就被大大降低,从而导致了充电时间过长。

  这就是开关模式拓扑有用武之地的原因。开关模式拓扑的主要优势在于效率的提高。与线性稳压器不同,电源开关(或多个开关)在饱和的区域内运行,其大大降低了总体损耗。降压转换器中功率损耗的主要包括开关损耗(在电源开关中)以及滤波电感中的DC损耗。根据设计参数的不同,在这些应用中出现效率大大高于95%的情况就不足为奇了。

  当人们听到开关模式这个术语时大多数人都会想到大型IC、大PowerFET以及超大型电感! 事实上,虽然对于处理数十安培电流的应用而言确实是这样,但是对于手持设备的新一代解决方案而言情况就不一样了。新一代单体锂离子开关模式充电器采用了最高级别的芯片集成,高于1MHz的使用频率以最小化电感尺寸。图1说明了当今市场上已开始销售的此类解决方案。该硅芯片的尺寸不到4 mm2,其集成了高侧和低侧PoweRFET。由于采用了3MHz 开关频率,该解决方案要求一个小型1uH电感, 其外形尺寸仅为:2mm x 2.5mm x 1.2mm (WxLxH)。

  充电器的选择

  电池充电器工具使得设计人员选择正确的充电器的过程更轻松。TI网站上提供的一种工具。

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