利用智能充電管理克服便攜式設(shè)備所面臨挑戰(zhàn)

電子信息時(shí)代使對移動(dòng)電源的需求快速增長。由于鋰離子電池具有高電壓、高容量的重要優(yōu)點(diǎn)，且循環(huán)壽命長、安全性能好，使其在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、空間技術(shù)、國防工業(yè)等多方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近幾年廣為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。鋰離子電池的機(jī)理一般性分析認(rèn)為，鋰離子電池作為一種化學(xué)電源，指分別用兩個(gè)能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)反之。鋰離子電池是物理學(xué)、材料科學(xué)和化學(xué)等學(xué)科研究的結(jié)晶。鋰離子電池所涉及的物理機(jī)理，目前是以固體物理中嵌入物理來解釋的，嵌入(intercalation)是指可移動(dòng)的客體粒子(分子、原子、離子)可逆地嵌入到具有合適尺寸的主體晶格中的網(wǎng)絡(luò)空格點(diǎn)上。電子輸運(yùn)鋰離子電池的正極和負(fù)極材料都是離子和電子的混合導(dǎo)體嵌入化合物。電子只能在正極和負(fù)極材料中運(yùn)動(dòng)。已知的嵌入化合物種類繁多，客體粒子可以是分子、原子或離子。在嵌入離子的同時(shí)，要求由主體結(jié)構(gòu)作電荷補(bǔ)償，以維持電中性。電荷補(bǔ)償可以由主體材料能帶結(jié)構(gòu)的改變來實(shí)現(xiàn)，電導(dǎo)率在嵌入前后會(huì)有變化。鋰離子電池電極材料可穩(wěn)定存在于空氣中與其這一特性息息相關(guān)。嵌入化合物只有滿足結(jié)構(gòu)改變可逆并能以結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)電荷變化才能作為鋰離子電池電極材料。

本文將討論有關(guān)鋰離子電池方面的一些潛在發(fā)展趨勢，并介紹便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)師如何利用受微控制器(MCU)控制的脈沖寬度調(diào)制(PWM)或者基于單獨(dú)的集成式電池充電管理控制器的解決方案設(shè)計(jì)靈活的鋰離子電池充電管理系統(tǒng)來克服這些挑戰(zhàn)。

采用鋰離子電池的便攜式設(shè)備供電設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

采用鋰離子電池的便攜式設(shè)備供電設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)包括但不限于：供電安全，電池化學(xué)特性，可用空間和所需的性能。便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在決策時(shí)必須傾其所有的知識和經(jīng)驗(yàn)來克服每個(gè)可能出現(xiàn)難題。對于可重復(fù)充電的鋰離子電池來說，還必須考慮充電/放電速率、壽命周期、維護(hù)和充電算法。為了實(shí)現(xiàn)每次充電后電池容量的最大化，充電電壓調(diào)節(jié)精度非常重要。如圖1所示，欠充0.6%的電池會(huì)導(dǎo)致5%的容量損失。但是又不能過充電，因?yàn)檫@是極其危險(xiǎn)的。某些電池生產(chǎn)商，例如日本松下公司，建議將4.2V的電池充電到4.1V,以延長其在電能備份應(yīng)用中的壽命。

圖1：鋰離子電池的容量損失與欠充電壓的關(guān)系。

產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)通常與面市時(shí)間、總體系統(tǒng)成本以及可靠性有關(guān)。其中面市時(shí)間對絕大多數(shù)消費(fèi)類產(chǎn)品來說是至關(guān)重要的，因?yàn)楫a(chǎn)品的壽命周期很短。在如今快速發(fā)展的世界里對市場的快速反應(yīng)能力很重要。從概念到形成最終產(chǎn)品的時(shí)間越短，意味著消耗的資源越少，并能通過節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間來降低成本。不過，通過提高集成度來節(jié)省空間的解決方案通常會(huì)比分離元器件解決方案的成本高一些，但也并非都是如此。因此在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)可靠性應(yīng)始終放在首要位置，如果性能可以折中的話。

MCU+PWM控制器充電管理系統(tǒng)

MCU(Micro Control Unit)中文名稱為微控制單元，又稱單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer)或者單片機(jī)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。微控制器在經(jīng)過這幾年不斷地研究，發(fā)展，歷經(jīng)4位，8位，到現(xiàn)在的16位及32位，甚至64位。產(chǎn)品的成熟度，以及投入廠商之多，應(yīng)用范圍之廣，真可謂之空前。目前在國外大廠因開發(fā)較早，產(chǎn)品線廣，所以技術(shù)領(lǐng)先，而本土廠商則以多功能為產(chǎn)品導(dǎo)向取勝。但不可諱言的，本土廠商的價(jià)格戰(zhàn)是對外商造成威脅的關(guān)鍵因素。

如果產(chǎn)品開發(fā)中對靈活度比較側(cè)重，在項(xiàng)目開發(fā)過程中可能作出修改，那么對于這樣的應(yīng)用來說，采用由MCU控制的PWM控制器電池充電管理系統(tǒng)是非常理想的。

圖2：典型的基于MCU+PWM控制器的多電池單元多化學(xué)材料的充電管理應(yīng)用電路。

圖2給出了采用典型的單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多個(gè)電池單元、多種化學(xué)成分的充電管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了MCP1631高壓PWM(零件號MCP1631HV)和PIC12F683通用MCU.一些先進(jìn)的MCU可以提供更多的GPIO和ADC,從而增加檢測和輸出狀態(tài)。SEPIC采用的是一種開關(guān)型拓?fù)?，因而在輸入和輸出電壓差較大且電流較大時(shí)可以提供更高的效率和更低的功耗。例如，當(dāng)工作在輸入電壓為9V、VBAT為4V、ICHARGE為1A時(shí)，常規(guī)的線性解決方案的功耗是(9V-4V)x1A=5W,然而效率為90%的開關(guān)解決方案在同樣條件下功耗僅為4Wx(0.1/0.9)=.44W.對1/2瓦進(jìn)行散熱顯然要比對5瓦進(jìn)行散熱容易得多。下列等式給出了上述例子中線性和開關(guān)電源的計(jì)算方法。

圖3就是受MCU控制的PWM控制器采用恒流/恒壓(CC-CV)算法以1A充電速率給單節(jié)1700mA鋰離子電池充電時(shí)的典型充電曲線。算法開始的前提條件是電池電壓是否低于預(yù)處理門限。一旦超過了這個(gè)預(yù)處理門限，系統(tǒng)就進(jìn)入恒流充電階段，直到檢測到穩(wěn)定的電壓。本例中充電結(jié)束值為200毫安。接下來系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)測電池電壓，并在電壓低于再充電門限時(shí)對電池進(jìn)行放電，從而有效限制充放電循環(huán)的次數(shù)，延長電池的使用壽命，同時(shí)使電壓保持在安全水平。

圖3：典型的具有CC/CV算法充電曲線的MCU+PWM控制器。[!--empirenews.page--]

用于鋰離子電池充電的獨(dú)立IC充電管理系統(tǒng)

IC,即集成電路是采用半導(dǎo)體制作工藝，在一塊較小的單晶硅片上制作上許多晶體管及電阻器、電容器等元器件，并按照多層布線或遂道布線的方法將元器件組合成完整的電子電路。它在電路中用字母"IC"(也有用文字符號"N"等)表示。隨著微處理器和PC機(jī)的廣泛應(yīng)用和普及(特別是在通信、工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域)，IC產(chǎn)業(yè)已開始進(jìn)入以客戶為導(dǎo)向的階段。一方面標(biāo)準(zhǔn)化功能的IC已難以滿足整機(jī)客戶對系統(tǒng)成本、可靠性等要求，同時(shí)整機(jī)客戶則要求不斷增加IC的集成度，提高保密性，減小芯片面積使系統(tǒng)的體積縮小，降低成本，提高產(chǎn)品的性能價(jià)格比，從而增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力，得到更多的市場份額和更豐厚的利潤;另一方面，由于IC微細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步，軟件的硬件化已成為可能，為了改善系統(tǒng)的速度和簡化程序，故各種硬件結(jié)構(gòu)的ASIC如門陣列、可編程邏輯器件(包括FPGA)、標(biāo)準(zhǔn)單元、全定制電路等應(yīng)運(yùn)而生。

設(shè)計(jì)師選用全集成單芯片電池管理系統(tǒng)的主要原因在于其體積小，成本低，并且設(shè)計(jì)時(shí)間/工作量/資源最小。獨(dú)立的鋰離子電池充電IC,特別是用于線性拓?fù)涞腎C,只需要SMD電容器來保持AC穩(wěn)定，并在沒有電池負(fù)載時(shí)提供補(bǔ)償。因此采用集成解決方案所需的PCB空間較小，相關(guān)元器件數(shù)量也最少。圖4是一個(gè)全集成的電池管理控制器作為獨(dú)立的電池充電器使用時(shí)的典型應(yīng)用電路。

圖4：典型的獨(dú)立充電管理控制器應(yīng)用電路。

由于在IC中置入了充電算法和事務(wù)管理電路，因而不再需要其他固件，可以直接進(jìn)行設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體公司通常會(huì)以詳盡的數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用指南來提供良好的產(chǎn)品支持，幫助設(shè)計(jì)師將電池充電IC植入系統(tǒng)。這樣做不僅加快了產(chǎn)品面市時(shí)間，而且還通過縮短開發(fā)時(shí)間和取消軟件開發(fā)工作而降低了成本。不過，靈活度不夠是這種獨(dú)立的充電管理IC在如今快速變化的電池領(lǐng)域面臨的主要問題。

各種方案是如何克服挑戰(zhàn)的?

充電電池的額定電壓和充電電壓取決于其化學(xué)材料。電池陽極和陰極所用化學(xué)材料的不同決定了電池電壓和其他相關(guān)特性，例如能量密度、內(nèi)阻等。例如，電池制造商對鈷和錳鋰離子電池推薦的充電電壓為4.2V,而對磷酸鹽鋰電的推薦充電電壓為3.6V.雖然磷酸鹽鋰離子電池可以用較高的穩(wěn)定電壓充電以使得每次充電后能有最大的電能，但代價(jià)是電池壽命將縮短。

由微控制器管理的系統(tǒng)可以方便地修改電壓穩(wěn)定機(jī)制、預(yù)處理門限電壓、最大的充電電流和其他參數(shù)，而且所有這些功能都無需改變硬件即可實(shí)現(xiàn)。通過適當(dāng)?shù)馗鹿碳鸵恍┎恢匾挠布撓到y(tǒng)很容易適用于Ni-MH、Ni-Cd密封鉛酸(SLA)以及其他化學(xué)材料的電池。MCU可以使其他系統(tǒng)具備智能化，這對便攜式設(shè)備是很有益的，例如系統(tǒng)監(jiān)視和提供輸出信號、認(rèn)證與通信等，從而有效防止最終用戶使用偽劣電池。

由于缺乏靈活性，使得集成系統(tǒng)很難競爭過MCU+PWM的充電管理方案。通常IC設(shè)計(jì)公司和半導(dǎo)體制造商通過提供不同的預(yù)置電壓、可選的或者可編程的電流(預(yù)處理電流、充電電流和結(jié)束電流)以及采用外部電阻和電容編程某些參數(shù)來解決這些問題。通常，充電管理IC采用電池制造商所建議的CC-CV充電算法。安全定時(shí)器也是可編程的，或是可選擇的。當(dāng)安全定時(shí)器在充電結(jié)束之前溢出時(shí)，系統(tǒng)會(huì)增加一個(gè)故障標(biāo)志或者關(guān)斷。安全定時(shí)器可用來防止鋰離子電池由于過充電而發(fā)生危險(xiǎn)，并能識別'死'電池。例如對一個(gè)性能良好的鋰離子電池來說，在加上一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷汉螅鼤?huì)在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入恒流充電狀態(tài)。如果在預(yù)處理期間安全定時(shí)器發(fā)生溢出，電池很可能需要更換了。

圖5：全集成獨(dú)立充電器IC的典型充電曲線。

圖5給出了一個(gè)典型的獨(dú)立線性鋰離子電池充電管理控制器的完整充電過程。所需的總充電時(shí)間將根據(jù)結(jié)束充電選項(xiàng)的不同而不同。在每個(gè)充電過程的開始，如果內(nèi)部功耗過高，熱反饋將調(diào)節(jié)器件的溫度。當(dāng)器件溫度低于最大值時(shí)，恒流模式將恢復(fù)到最大編程值，從而提高充電器的可靠性和安全性。這種作法的代價(jià)是整個(gè)充電周期略有增加。比較圖3和圖5,熱調(diào)節(jié)功能實(shí)際上只是使整個(gè)充電過程延長了大約7分鐘，這在絕大多數(shù)的應(yīng)用中是微不足道的，因?yàn)檎麄€(gè)充電周期約為3小時(shí)。

本文小結(jié)

全集成的IC可以幫助設(shè)計(jì)師快速且低成本地實(shí)現(xiàn)電池充電功能。但是，這些標(biāo)準(zhǔn)的器件無法滿足所有便攜式器件設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)師的需求。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師通常很難找到能夠滿足所有設(shè)計(jì)要求的電池充電解決方案。電池充電管理控制器IC通常是針對一般性應(yīng)用設(shè)計(jì)的，而并非針對特殊應(yīng)用而設(shè)計(jì)。一些制造商試圖提供單芯片多化學(xué)材料的解決方案，但與這些方案有關(guān)的內(nèi)置算法要么太昂貴，要么用戶不友好。對于高端電池充電管理系統(tǒng)或者電池化學(xué)材料可能隨著產(chǎn)品的改版而改變的設(shè)計(jì)來說，基于MCU+PWM控制器的系統(tǒng)是理想的解決方案。

表1：MCU+PWM控制器與獨(dú)立充電器IC的比較。