電子設(shè)備的發(fā)展趨勢是性能不斷地提高,功能不斷地增加,同時要求電池每次充電后的供電時間越來越長。隨著便攜式電子產(chǎn)品功能的不斷增加,對電池的容量要求也在不斷提高。鋰離子電池的高電壓、高容量、長壽命和免維護等特性使之成為各類便攜式電子設(shè)備的理想選擇。除常規(guī)的充電電壓和1C的充放電速率之外,鋰離子電池中采用的一些新技術(shù)要求不同的充電電壓并提供更高的充電速率。
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)或者基于單獨的集成式電池充電管理控制器的解決方案設(shè)計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)計挑戰(zhàn)
采用鋰離子電池的便攜式設(shè)備供電設(shè)計面臨的挑戰(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)計師在決策時必須傾其所有的知識和經(jīng)驗來克服每個可能出現(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、維護和充電算法。為了實現(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%的電池會導(dǎo)致5%的容量損失。但是又不能過充電,因為這是極其危險的。某些電池生產(chǎn)商,例如日本松下公司,建議將的電池充電到,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)通常與面市時間、總體系統(tǒng)成本以及可靠性有關(guān)。其中面市時間對絕大多數(shù)消費類產(chǎn)品來說是至關(guān)重要的,因為產(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)品的時間越短,意味著消耗的資源越少,并能通過節(jié)約設(shè)計時間來降低成本。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)計產(chǎn)品時可靠性應(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)
如果產(chǎn)品開發(fā)中對靈活度比較側(cè)重,在項目開發(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)拓撲結(jié)構(gòu)的多個電池單元、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)型拓撲,因而在輸入和輸出電壓差較大且電流較大時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,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瓦進行散熱顯然要比對5瓦進行散熱容易得多。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。一旦超過了這個預(yù)處理門限,系統(tǒng)就進入恒流充電階段,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對電池進行放電,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。
用于鋰離子電池充電的獨立IC充電管理系統(tǒng)
設(shè)計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)計時間/工作量/資源最小。獨立的鋰離子電池充電IC,特別是用于線性拓撲的IC,只需要SMD電容器來保持AC穩(wěn)定,并在沒有電池負載時提供補償。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是一個全集成的電池管理控制器作為獨立的電池充電器使用時的典型應(yīng)用電路。
圖4:典型的獨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,可以直接進行設(shè)計。半導(dǎo)體公司通常會以詳盡的數(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)品面市時間,而且還通過縮短開發(fā)時間和取消軟件開發(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,而對磷酸鹽鋰電的推薦充電電壓為。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現(xiàn)。通過適當(dāng)?shù)馗鹿碳鸵恍┎恢匾挠布?該系統(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。安全定時器也是可編程的,或是可選擇的。當(dāng)安全定時器在充電結(jié)束之前溢出時,系統(tǒng)會增加一個故障標志或者關(guān)斷。安全定時器可用來防止鋰離子電池由于過充電而發(fā)生危險,并能識別‘死’電池。例如對一個性能良好的鋰離子電池來說,在加上一個適當(dāng)?shù)碾妷汉?它會在較短的時間內(nèi)進入恒流充電狀態(tài)。如果在預(yù)處理期間安全定時器發(fā)生溢出,電池很可能需要更換了。
圖5:全集成獨立充電器IC的典型充電曲線。
圖5給出了一個典型的獨立線性鋰離子電池充電管理控制器的完整充電過程。所需的總充電時間將根據(jù)結(jié)束充電選項的不同而不同。在每個充電過程的開始,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,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。這種作法的代價是整個充電周期略有增加。比較圖3和圖5,熱調(diào)節(jié)功能實際上只是使整個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,因為整個充電周期約為3小時。
本文小結(jié)
全集成的IC可以幫助設(shè)計師快速且低成本地實現(xiàn)電池充電功能。但是,這些標準的器件無法滿足所有便攜式器件設(shè)計和設(shè)計師的需求。產(chǎn)品設(shè)計師通常很難找到能夠滿足所有設(shè)計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)計的,而并非針對特殊應(yīng)用而設(shè)計。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控制器與獨立充電器IC的比較。
作者:Brian Chu
模擬與接口產(chǎn)品事業(yè)部應(yīng)用工程師
Microchip Technology 公司
