便攜式電子裝置電池的充電管理

摘要：結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹了幾種充電電池的不同特性，及BQ2000充電管理芯片的應(yīng)用以及使用中的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：充電電池；充電管理；集成電路BQ2000

Management of Chargeable Batteries for Portable Electronic Devices 

WU Zhan-xian 

Abstract:The different property of some chargeable batteries,the applications of IC BQ2000 for management of chargeable batteries,and the key point in use are introduced by applied examples. 

Keywords:Chargeable battery; Management of chargeable batteries; IC BQ2000

1  引言

    隨著科技的進(jìn)步，個(gè)人電子裝置正日新月異、突飛猛進(jìn)地向前發(fā)展。手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等便攜式裝置己越來(lái)越變成人們生活的必需品。便攜式裝置配備的現(xiàn)代化學(xué)電池對(duì)充電管理要求是比較嚴(yán)格的。如果能從充電控制、安全、體積及成本諸方面考慮，為這些現(xiàn)代化學(xué)電池提供優(yōu)質(zhì)的充電管理，對(duì)最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)，比使用一次性電池更為方便，又能降低使用成本；對(duì)制造商來(lái)說(shuō)，也能增加自己的競(jìng)爭(zhēng)力。

    本文以TI公司研制的多化學(xué)結(jié)構(gòu)電池充電管理集成電路BQ2000為例，探討便攜式電子裝置配備的電池充電控制的最新技術(shù)。

2  便攜式裝置可充電電池及其充電技術(shù)現(xiàn)狀

    現(xiàn)在應(yīng)用的可充電電池有多種多樣，其中鎳鎘(Ni-Cd)、鎳金屬氫(Ni-MH)和鋰離子(Li-Ion)電池是其中的三大競(jìng)爭(zhēng)者，表1列出了它們各自的特點(diǎn)。

表1  3種 可 充 電 電 池 的 特 性 比 較

    從表1可看出，Ni-Cd電池的能量密度最低，而Li-Ion電池能量密度最高。就成本而言，Ni-MH電池居于其余兩者之間，由于Ni-MH電池近幾年來(lái)性能有長(zhǎng)足的改進(jìn)，因而需要較高能量密度的場(chǎng)合，Ni-MH電池具有較強(qiáng)的成本競(jìng)爭(zhēng)力。

    便攜式裝置的制造商利用各種電池的不同特性來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的產(chǎn)品性能和成本目標(biāo)，以便在市場(chǎng)上較好地定位和區(qū)分他們的產(chǎn)品。這些電池不同的性?xún)r(jià)比也使得制造商為同產(chǎn)品提供多種電池組選擇，使消費(fèi)者可根據(jù)自身的需要來(lái)選擇適合的電池。這樣一來(lái)電池多樣化的局面便形成了，而各種充電裝置也必須支持多種化學(xué)電池的充電方法。

    圍繞電池充電這一問(wèn)題，人們想了不少辦法，各種充電控制方法應(yīng)運(yùn)而生。以前，一般都是采用一些常用的集成電路和分立電子元器件搭構(gòu)成具有一定功能的裝置，對(duì)充電電壓或充電電流加以控制。

    對(duì)于現(xiàn)代Ni-Cd、Ni-MH及Li-Ion電池的再充電，其典型的控制方法是用一個(gè)具有模/數(shù)變換的微處理器，不同的開(kāi)關(guān)變換器充電控制電路及帶溫度補(bǔ)償?shù)牟煌碾妷夯鶞?zhǔn)，加上有關(guān)鎳基和鋰基化學(xué)的相應(yīng)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)預(yù)充電判定、狀態(tài)處理、充電計(jì)算和維護(hù)充電的技術(shù)來(lái)進(jìn)行。完成這樣的充電控制，成本是比較昂貴的，工藝也比較復(fù)雜，充電器體積相對(duì)來(lái)說(shuō)也較大。為了降低成本，縮小體積，減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，BENCHMARK公司（已被TI收購(gòu)）研制了一種全集成且能為多種化學(xué)結(jié)構(gòu)電池充電進(jìn)行管理的，半導(dǎo)體集成電路BQ2000。

3  BQ2000簡(jiǎn)介

    BQ2000是一種8腳開(kāi)關(guān)型充電控制集成電路，適用于多種化學(xué)結(jié)構(gòu)電池的充電管理，能實(shí)現(xiàn)高精度充電控制。它簡(jiǎn)化了Li?Ion、Ni?Cd和Ni?MH電池的充電過(guò)程，把必要的功率轉(zhuǎn)換和多種化學(xué)結(jié)構(gòu)電池的充電控制算法及其它許多現(xiàn)代化學(xué)電池充電需要的功能電路制作到同一塊半導(dǎo)體集成電路芯片上。

    其主要特點(diǎn)如下：

    ——可對(duì)鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池進(jìn)行安全充電管理；

    ——高頻開(kāi)關(guān)模式控制器使得充電效率可達(dá)90％以上；

    ——可防止對(duì)電池組的過(guò)充電和欠充電；

    ——初充電模式可檢測(cè)電池短路、損壞以及電池過(guò)熱；

    ——快速充電結(jié)束方式，對(duì)鎳基電池可選擇為峰值電壓（PVD）和最長(zhǎng)時(shí)間關(guān)斷模式，對(duì)鋰電池可選擇為最小電流和最長(zhǎng)時(shí)間關(guān)斷模式；

    ——可編程的涓流充電方式，使嚴(yán)重虧電電池得以恢復(fù)，并有過(guò)充維護(hù)功能；

    ——補(bǔ)足充電模式可使鎳氫電池達(dá)到最大容量；

    ——電池組放入與取出檢測(cè)；

    ——低功耗的休眠方式。

    圖1是BQ2000的管腳排列圖，而圖2則是其簡(jiǎn)略功能方框圖。

圖1  BQ2000管 腳 排 列 圖

圖2  BQ2000功 能 方 框 圖

    各管腳功能如下:

    腳1（SNS）  充電電流檢測(cè)輸入端（此端口利用與電池組相串聯(lián)的檢測(cè)電阻上的電壓來(lái)限制充電電流）。

    腳2（Vss）  電源地。

    腳3（LED）  充電狀態(tài)輸出端。用一只外接發(fā)光二極管的亮、暗及閃爍來(lái)顯示不同的充電狀態(tài)。

    腳4（BAT）  電池電壓的輸入端。由一個(gè)加在充電電池兩端的電阻分壓器，產(chǎn)生此電池的電壓檢測(cè)輸入信號(hào)。

    腳5（Ts）  溫度檢測(cè)輸入端。是充電電池組溫度檢測(cè)電路的輸入，它由外接電阻和負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻組成，用于設(shè)定高低溫度的閾值。

    腳6（RC）  定時(shí)器的程序輸入。在充電循環(huán)中，RC輸入為最大充電時(shí)間，對(duì)關(guān)斷周期和涓流充電率進(jìn)行編程，且可控制有無(wú)補(bǔ)足充電模式。

    腳7（Vcc）  芯片電源引入引腳。

    腳8（MOD）  充電控制輸出端。用來(lái)控制電池的充電電流。 [!--empirenews.page--]

4  BQ2000的工作原理

    Ni-Cd，Ni-MH及Li-Ion電池需要精確控制最大化學(xué)電池容量，又要防止過(guò)量充電，因?yàn)?，過(guò)量充電會(huì)減小電池的使用壽命，而且會(huì)對(duì)終端設(shè)備造成物理傷害。針對(duì)這種情況，BQ2000是這樣做的，首先由振蕩器和內(nèi)部振蕩器共同作用到時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，用來(lái)控制數(shù)／模轉(zhuǎn)換、－ΔV運(yùn)算器及其它有關(guān)單元電路，并使之同步工作。對(duì)于電池充電電壓的采樣，BQ2000在瞬間中斷充電電流期間進(jìn)行采樣，以求采樣的精確。采樣電壓從腳4（BAT）進(jìn)入電路內(nèi)部，經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換后送入－ΔV運(yùn)算器處理。并將運(yùn)算結(jié)果送入充電控制單元，隨時(shí)控制充電過(guò)程，經(jīng)每秒成千上萬(wàn)次采樣、運(yùn)算、控制，使其達(dá)到精確控制的目的。

    在充電初始階段，BQ2000通過(guò)監(jiān)視電池的電壓來(lái)檢測(cè)電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)，一旦確定了化學(xué)結(jié)構(gòu)，立即用適當(dāng)?shù)乃惴ù_定符合該化學(xué)結(jié)構(gòu)的控制方法。這個(gè)過(guò)程排除了欠充電和過(guò)充電情況發(fā)生。BQ2000使用的基本充電方法，視電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)而異。對(duì)于Ni-Cd和Ni-MH電池而言為峰值終結(jié)法，而對(duì)Li-Ion電池來(lái)說(shuō)卻是最小電流法。為了充電安全，電路內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)可供用戶(hù)編程的充電定時(shí)器。通過(guò)定時(shí)器也可以用最大時(shí)間法終結(jié)充電。

    另外，為了確保安全，在電池的電壓和溫度未達(dá)到預(yù)先確定的或用戶(hù)規(guī)定的閾值之前，BQ2000禁止快速充電。對(duì)于Ni-MH電池來(lái)說(shuō)，該集成電路還提供一種可選充電，即補(bǔ)足充電模式，以使電池容量達(dá)到最大。

    BQ2000的集成高頻功率變換器可用做效率大于90％的開(kāi)關(guān)型設(shè)計(jì)，此特性與精密內(nèi)部基準(zhǔn)一起使BQ2000成為低功耗高精度充電器的理想解決辦法。

5  充電過(guò)程分析

5.1  鎳鎘和鎳氫的充電管理

    充電管理流程圖如圖3所示。在一個(gè)典型的充電循環(huán)中，鎳鎘和鎳氫電池首先必須進(jìn)行檢測(cè)以確定當(dāng)前電池的狀態(tài)，正常時(shí)方可進(jìn)行快速充電。若電池的溫度和電壓在允許的范圍之外，為了確保安全，BQ2000會(huì)自動(dòng)拒絕快速充電。當(dāng)電池溫度超過(guò)45℃時(shí)，充電被掛起，直到溫度降低。而當(dāng)電池溫度低于10℃或單節(jié)電池電壓低于1V的嚴(yán)重虧電電池，則要先進(jìn)行小電流充電，待溫度和電壓正常后，方可進(jìn)行快速充電。以上措施，可有效地延長(zhǎng)電池的壽命。

圖3  充 電 管 理 流 程 圖

    快速充電開(kāi)始后，設(shè)置一段時(shí)間為PVD檢測(cè)封鎖時(shí)間，此段時(shí)間在本充電器中設(shè)計(jì)為300s，在此段時(shí)間內(nèi)，不檢測(cè)電壓負(fù)增量，這是由于給某些舊電池進(jìn)行充電的初期，電池端電壓不僅不升反而降低，從而導(dǎo)致充電器過(guò)早地停止工作。

    PVD終結(jié)檢測(cè)方式對(duì)原先采用的－ΔV檢測(cè)方式作了一些改進(jìn)，－ΔV檢測(cè)時(shí)，當(dāng)單節(jié)電池的電壓比最高充電電壓降低12mV時(shí)快速充電才會(huì)終止，而PVD則將其改為4mV/每節(jié)，這樣就有效地避免了過(guò)充的發(fā)生。鎳基可充電電池通常采用不大于1C的恒流充電。對(duì)鎳基可再充電電池來(lái)說(shuō)，快速充電可根據(jù)電壓或溫度來(lái)終結(jié)。圖4所示的是一種典型的電壓法，即峰值電壓檢測(cè)法?？梢钥闯?，在電池的電壓峰值為每節(jié)0～4mV范圍時(shí)，快速充電終結(jié)。溫度終結(jié)法即電池溫度上升率，典型的比率為1℃/min，如圖5所示。

圖4  峰 值 電 壓 終 結(jié) 法

圖5  溫 度 變 化 率 終 結(jié) 法

    充電速率為1C或0.5C時(shí)，快速充電終結(jié)后，電池有可能還沒(méi)有真正充足電，為了適應(yīng)電池的這種化學(xué)特性，本充電器具有補(bǔ)足充電程序，補(bǔ)足充電的平均充電速率定為快速充電速率的1/18。

    在快速充電或補(bǔ)足充電完成之后，則轉(zhuǎn)入脈沖涓流充電，它的作用是補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量，此過(guò)程通常被稱(chēng)為維護(hù)充電。充電速率一般定為快速充電的1/32。只要電池未取出，這種維護(hù)充電就一直進(jìn)行下去。

5.2  鋰離子電池的充電管理

    與鎳鎘和鎳氫電池一樣，鋰離子電池在快速充電前也必須進(jìn)行電池狀態(tài)認(rèn)定和可能的狀態(tài)處理。但是，鋰離子電池的充電算法卻較為復(fù)雜一些，典型情況下，這種電池首先用1C或小于1C的恒定電流充電，一直充到其容量的70％～80％，然后改用恒壓充電，恒壓一般限定為每節(jié)4.2V。

    鋰離子電池充電電壓嚴(yán)格要求的原因有兩個(gè)，其一，是為了把電池容量充到最大而不損壞電池，如果充電電壓低，雖然不損壞電池，但難于充至最大容量，降低了電池的放電容量；其二，如果充電電壓過(guò)高，在充電過(guò)程中可能損壞電池組內(nèi)部電壓保護(hù)器。 [!--empirenews.page--]

    圖6是鋰離子電池的典型充電曲線(xiàn)，隨著恒流充電進(jìn)行到一定時(shí)間后，充電電流開(kāi)始逐漸減小。通常當(dāng)充電電流降到最大充電電流的10％～15％時(shí)，充電終結(jié)。由于鋰離子電池的自放電很小，所以一般情況下無(wú)須維護(hù)充電。

圖6  鋰 離 子 電 池 典 型 充 電 圖

6  設(shè)計(jì)實(shí)例

    圖7是我們制做的充電器的充電管理部分的實(shí)際電路，其直流輸入電壓為9～16V，Vcc為5V，充電電流為1A?？沙?節(jié)鎳電池和1節(jié)鋰電池，當(dāng)R7接電池負(fù)極時(shí)，可充4節(jié)鎳電池，當(dāng)R8接電池負(fù)極時(shí)，可充1節(jié)鋰電池。下面計(jì)算有關(guān)數(shù)據(jù)。

圖7  充電器原理圖

    1)最大充電終結(jié)時(shí)間

    根據(jù)相關(guān)資料，對(duì)鎳基電池而言，設(shè)最大充電時(shí)間為tmax，則

     tmax=35998×C7×R10=35988×3.3×10－7×6.8×103≈80（min）

    而對(duì)鋰電池而言

    tmax=2×35998×C7×R10≈160（min）

式中：電容單位為F，電阻單位為Ω，時(shí)間單位為min。

    2）溫度監(jiān)視

    如前所述，無(wú)論鎳電池還是鋰電池，為了安全起見(jiàn)，必須在電池廠(chǎng)家所給的最佳溫度范圍內(nèi)給電池快速充電，因此，在整個(gè)充電過(guò)程中必須始終堅(jiān)持檢測(cè)被充電池的溫度。在充電過(guò)程中，電池溫度會(huì)慢慢上升，溫度達(dá)到設(shè)定最高點(diǎn)時(shí)應(yīng)終結(jié)快速充電。

    負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻可作為廉價(jià)的溫度?電壓變換器，來(lái)監(jiān)控電池的溫度，為了準(zhǔn)確地監(jiān)控電池的溫度，熱敏電阻應(yīng)該盡量靠近電池，腳Vcc和Vss之間接入電阻?熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)，這樣在電阻與熱敏電阻的節(jié)點(diǎn)處（腳TS）即可得到溫度取樣輸入電壓，如圖8所示。

圖8  溫 度 檢 測(cè) 配 置 圖

    3)充電電壓與充電電流在充電過(guò)程中，BQ2000時(shí)刻監(jiān)測(cè)電池的電壓，確保其不超過(guò)最大允許值。加到電池電壓取樣輸入端（腳BAT）的電壓，應(yīng)當(dāng)是單體電池的電壓。為此，應(yīng)當(dāng)在電池組兩端加入高阻抗電阻分壓器。如圖7所示，對(duì)鎳基電池充電時(shí)，分壓比應(yīng)為=N－1（式中N為充電電池節(jié)數(shù)，R2接電池正極，R7接電池負(fù)極）。當(dāng)對(duì)鋰電池充電時(shí)，假定單節(jié)鋰電池最高端電壓為4.1V，則分壓比=（4.1×N－2）/2。此時(shí)輸入直流電壓也相應(yīng)改變。

    本設(shè)計(jì)中最大充電電流Imax為1A，可通過(guò)改變R9進(jìn)行調(diào)節(jié)。

       Imax=。

    4)發(fā)光管情況

    充電時(shí)發(fā)光二極管的工作情況如表2所列。

表2  發(fā)光二極管的工作狀況

    5)實(shí)測(cè)波形

    在充電器制作中，我們對(duì)快速充電和涓流充電用示波器進(jìn)行測(cè)量，其波形圖分別如圖9和圖10所示。

圖9  1A快 速 充 電 時(shí) 電 流 波 形

圖10  涓 流 充 電 時(shí) 的 電 流 波 形

7  結(jié)語(yǔ)

    1）BQ2000充電控制電路是美國(guó)BENCHMARK公司推出的新型充電控制電路，是目前電源技術(shù)領(lǐng)域中充電控制電路的新技術(shù)、新產(chǎn)品。

    2）BQ2000充電控制電路的特點(diǎn)是

    ——將充電控制所需的各單元電路集成在一片IC內(nèi)；

    ——芯片內(nèi)包含一個(gè)非常有用的運(yùn)算器，該運(yùn)算器可使整個(gè)電路控制更精確、操作更安全、功能更完善；

    ——外圍電路大幅度簡(jiǎn)化，掌握起來(lái)更容易，使用也更加方便。

    3）能為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的NiCd、NiMH和Li-Ion等多種電池充電。