便攜式電子裝置電池的充電管理

摘要：結合應用實例，簡要介紹了幾種充電電池的不同特性，及BQ2000充電管理芯片的應用以及使用中的注意事項。

關鍵詞：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

??? 隨著科技的進步，個人電子裝置正日新月異、突飛猛進地向前發展。手機、筆記本電腦、數碼相機等便攜式裝置己越來越變成人們生活的必需品。便攜式裝置配備的現代化學電池對充電管理要求是比較嚴格的。如果能從充電控制、安全、體積及成本諸方面考慮，為這些現代化學電池提供優質的充電管理，對最終用戶來說，比使用一次性電池更為方便，又能降低使用成本；對制造商來說，也能增加自己的競爭力。

??? 本文以TI公司研制的多化學結構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。

2? 便攜式裝置可充電電池及其充電技術現狀

??? 現在應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爭者，表1列出了它們各自的特點。

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電池近幾年來性能有長足的改進，因而需要較高能量密度的場合，Ni-MH電池具有較強的成本競爭力。

??? 便攜式裝置的制造商利用各種電池的不同特性來實現他們的產品性能和成本目標，以便在市場上較好地定位和區分他們的產品。這些電池不同的性價比也使得制造商為同產品提供多種電池組選擇，使消費者可根據自身的需要來選擇適合的電池。這樣一來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電池的充電方法。

??? 圍繞電池充電這一問題，人們想了不少辦法，各種充電控制方法應運而生。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成具有一定功能的裝置，對充電電壓或充電電流加以控制。

??? 對于現代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具有模/數變換的微處理器，不同的開關變換器充電控制電路及帶溫度補償的不同的電壓基準，加上有關鎳基和鋰基化學的相應知識來設計預充電判定、狀態處理、充電計算和維護充電的技術來進行。完成這樣的充電控制，成本是比較昂貴的，工藝也比較復雜，充電器體積相對來說也較大。為了降低成本，縮小體積，減少設計的復雜程度，BENCHMARK公司（已被TI收購）研制了一種全集成且能為多種化學結構電池充電進行管理的，半導體集成電路BQ2000。

3? BQ2000簡介

??? BQ2000是一種8腳開關型充電控制集成電路，適用于多種化學結構電池的充電管理，能實現高精度充電控制。它簡化了Li?Ion、Ni?Cd和Ni?MH電池的充電過程，把必要的功率轉換和多種化學結構電池的充電控制算法及其它許多現代化學電池充電需要的功能電路制作到同一塊半導體集成電路芯片上。

??? 其主要特點如下：

??? ——可對鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池進行安全充電管理；

??? ——高頻開關模式控制器使得充電效率可達90％以上；

??? ——可防止對電池組的過充電和欠充電；

??? ——初充電模式可檢測電池短路、損壞以及電池過熱；

??? ——快速充電結束方式，對鎳基電池可選擇為峰值電壓（PVD）和最長時間關斷模式，對鋰電池可選擇為最小電流和最長時間關斷模式；

??? ——可編程的涓流充電方式，使嚴重虧電電池得以恢復，并有過充維護功能；

??? ——補足充電模式可使鎳氫電池達到最大容量；

??? ——電池組放入與取出檢測；

??? ——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）? 充電電流檢測輸入端（此端口利用與電池組相串聯的檢測電阻上的電壓來限制充電電流）。

??? 腳2（Vss）? 電源地。

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

??? 腳4（BAT）? 電池電壓的輸入端。由一個加在充電電池兩端的電阻分壓器，產生此電池的電壓檢測輸入信號。

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

??? 腳6（RC）? 定時器的程序輸入。在充電循環中，RC輸入為最大充電時間，對關斷周期和涓流充電率進行編程，且可控制有無補足充電模式。

??? 腳7（Vcc）? 芯片電源引入引腳。

??? 腳8（MOD）? 充電控制輸出端。用來控制電池的充電電流。

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電池容量，又要防止過量充電，因為，過量充電會減小電池的使用壽命，而且會對終端設備造成物理傷害。針對這種情況，BQ2000是這樣做的，首先由振蕩器和內部振蕩器共同作用到時鐘脈沖發生器，產生時鐘信號，用來控制數／模轉換、－ΔV運算器及其它有關單元電路，并使之同步工作。對于電池充電電壓的采樣，BQ2000在瞬間中斷充電電流期間進行采樣，以求采樣的精確。采樣電壓從腳4（BAT）進入電路內部，經模／數轉換后送入－ΔV運算器處理。并將運算結果送入充電控制單元，隨時控制充電過程，經每秒成千上萬次采樣、運算、控制，使其達到精確控制的目的。

??? 在充電初始階段，BQ2000通過監視電池的電壓來檢測電池的化學結構，一旦確定了化學結構，立即用適當的算法確定符合該化學結構的控制方法。這個過程排除了欠充電和過充電情況發生。BQ2000使用的基本充電方法，視電池的化學結構而異。對于Ni-Cd和Ni-MH電池而言為峰值終結法，而對Li-Ion電池來說卻是最小電流法。為了充電安全，電路內部設置了一個可供用戶編程的充電定時器。通過定時器也可以用最大時間法終結充電。

??? 另外，為了確保安全，在電池的電壓和溫度未達到預先確定的或用戶規定的閾值之前，BQ2000禁止快速充電。對于Ni-MH電池來說，該集成電路還提供一種可選充電，即補足充電模式，以使電池容量達到最大。

??? BQ2000的集成高頻功率變換器可用做效率大于90％的開關型設計，此特性與精密內部基準一起使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。在一個典型的充電循環中，鎳鎘和鎳氫電池首先必須進行檢測以確定當前電池的狀態，正常時方可進行快速充電。若電池的溫度和電壓在允許的范圍之外，為了確保安全，BQ2000會自動拒絕快速充電。當電池溫度超過45℃時，充電被掛起，直到溫度降低。而當電池溫度低于10℃或單節電池電壓低于1V的嚴重虧電電池，則要先進行小電流充電，待溫度和電壓正常后，方可進行快速充電。以上措施，可有效地延長電池的壽命。

圖3? 充 電 管 理 流 程 圖

??? 快速充電開始后，設置一段時間為PVD檢測封鎖時間，此段時間在本充電器中設計為300s，在此段時間內，不檢測電壓負增量，這是由于給某些舊電池進行充電的初期，電池端電壓不僅不升反而降低，從而導致充電器過早地停止工作。

??? PVD終結檢測方式對原先采用的－ΔV檢測方式作了一些改進，－ΔV檢測時，當單節電池的電壓比最高充電電壓降低12mV時快速充電才會終止，而PVD則將其改為4mV/每節，這樣就有效地避免了過充的發生。鎳基可充電電池通常采用不大于1C的恒流充電。對鎳基可再充電電池來說，快速充電可根據電壓或溫度來終結。圖4所示的是一種典型的電壓法，即峰值電壓檢測法。可以看出，在電池的電壓峰值為每節0～4mV范圍時，快速充電終結。溫度終結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 法

圖5? 溫 度 變 化 率 終 結 法

??? 充電速率為1C或0.5C時，快速充電終結后，電池有可能還沒有真正充足電，為了適應電池的這種化學特性，本充電器具有補足充電程序，補足充電的平均充電速率定為快速充電速率的1/18。

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

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行電池狀態認定和可能的狀態處理。但是，鋰離子電池的充電算法卻較為復雜一些，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4.2V。

??? 鋰離子電池充電電壓嚴格要求的原因有兩個，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，如果充電電壓過高，在充電過程中可能損壞電池組內部電壓保護器。

??? 圖6是鋰離子電池的典型充電曲線，隨著恒流充電進行到一定時間后，充電電流開始逐漸減小。通常當充電電流降到最大充電電流的10％～15％時，充電終結。由于鋰離子電池的自放電很小，所以一般情況下無須維護充電。

圖6? 鋰 離 子 電 池 典 型 充 電 圖

6? 設計實例

??? 圖7是我們制做的充電器的充電管理部分的實際電路，其直流輸入電壓為9～16V，Vcc為5V，充電電流為1A。可充4節鎳電池和1節鋰電池，當R7接電池負極時，可充4節鎳電池，當R8接電池負極時，可充1節鋰電池。下面計算有關數據。

圖7? 充電器原理圖

??? 1)最大充電終結時間

??? 根據相關資料，對鎳基電池而言，設最大充電時間為tmax，則

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

??? 而對鋰電池而言

??? tmax=2×35998×C7×R10≈160（min）

式中：電容單位為F，電阻單位為Ω，時間單位為min。

??? 2）溫度監視

??? 如前所述，無論鎳電池還是鋰電池，為了安全起見，必須在電池廠家所給的最佳溫度范圍內給電池快速充電，因此，在整個充電過程中必須始終堅持檢測被充電池的溫度。在充電過程中，電池溫度會慢慢上升，溫度達到設定最高點時應終結快速充電。

??? 負溫度系數熱敏電阻可作為廉價的溫度?電壓變換器，來監控電池的溫度，為了準確地監控電池的溫度，熱敏電阻應該盡量靠近電池，腳Vcc和Vss之間接入電阻?熱敏電阻網絡，這樣在電阻與熱敏電阻的節點處（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 配 置 圖

??? 3)充電電壓與充電電流在充電過程中，BQ2000時刻監測電池的電壓，確保其不超過最大允許值。加到電池電壓取樣輸入端（腳BAT）的電壓，應當是單體電池的電壓。為此，應當在電池組兩端加入高阻抗電阻分壓器。如圖7所示，對鎳基電池充電時，分壓比應為=N－1（式中N為充電電池節數，R2接電池正極，R7接電池負極）。當對鋰電池充電時，假定單節鋰電池最高端電壓為4.1V，則分壓比=（4.1×N－2）/2。此時輸入直流電壓也相應改變。

??? 本設計中最大充電電流Imax為1A，可通過改變R9進行調節。

?????? Imax=。

??? 4)發光管情況

??? 充電時發光二極管的工作情況如表2所列。

表2? 發光二極管的工作狀況

??? 5)實測波形

??? 在充電器制作中，我們對快速充電和涓流充電用示波器進行測量，其波形圖分別如圖9和圖10所示。

圖9? 1A快 速 充 電 時 電 流 波 形

圖10? 涓 流 充 電 時 的 電 流 波 形

7? 結語

??? 1）BQ2000充電控制電路是美國BENCHMARK公司推出的新型充電控制電路，是目前電源技術領域中充電控制電路的新技術、新產品。

??? 2）BQ2000充電控制電路的特點是

??? ——將充電控制所需的各單元電路集成在一片IC內；

??? ——芯片內包含一個非常有用的運算器，該運算器可使整個電路控制更精確、操作更安全、功能更完善；

??? ——外圍電路大幅度簡化，掌握起來更容易，使用也更加方便。

??? 3）能為當前應用最廣泛的NiCd、NiMH和Li-Ion等多種電池充電。