鋰離子電池每單位體積的功率最大，但過(guò)度充電或放電會(huì)損壞或破壞電池及其周?chē)h(huán)境。精心設(shè)計(jì)的電路可以幫助您避免這種可怕的后果。

鋰離子 （Li-ion） 電池現(xiàn)在是需要最高可用功率集中度的應(yīng)用（每單位體積和單位重量）的熱門(mén)選擇。這些電池可以存儲(chǔ)比鎳鎘、鎳氫 （NiMH） 和其他可充電類(lèi)型更多的能量。電池制造商開(kāi)發(fā)了鋰離子技術(shù)，以避免金屬鋰的揮發(fā)性問(wèn)題（見(jiàn)附錄，“為什么是鋰？鋰金屬的缺乏使鋰離子電池免于適用于原電池的運(yùn)輸法規(guī)，因此它們可以更大，容量更大。

然而，鋰離子電池并非堅(jiān)不可摧。它們要求嚴(yán)格遵守充電和放電規(guī)則。忽略規(guī)則，您可能會(huì)縮短電池壽命或破壞電池及其周?chē)h(huán)境。作為一種故障安全措施，電池組制造商通常包括一個(gè)保護(hù)開(kāi)關(guān)，以防止電池過(guò)度充電或放電。專(zhuān)用的充電和放電電路也可以防止這些情況。

首先考慮充電電路

不幸的是，鋰離子電池充電沒(méi)有一套規(guī)則。由于鋰離子電池技術(shù)非常新，電池充電的規(guī)則和要求往往因制造商而異。典型的充電器必須首先提供恒流源，然后在充電終止時(shí)提供恒定浮動(dòng)電壓（完全充電電池的標(biāo)稱(chēng)水平）。這種組合電流和電壓源的設(shè)計(jì)很棘手，因?yàn)?a target="_blank">電流源的輸出阻抗必須很高，電壓源的輸出阻抗必須很低。

充電電流取決于電池的大小和容量，所需的電流從幾百毫安到大約2.5A不等。確切的鋰離子電池化學(xué)成分因制造商而異，通常是專(zhuān)有的，但由此產(chǎn)生的終止電壓通常在每節(jié)電池 4.2V 至 4.3V 之間變化。雖然充電電流的精度約為±10%，但對(duì)終止電壓的要求通常為±1%。

選擇充電器拓?fù)?/p>

電池充電器通常使用線(xiàn)性穩(wěn)壓器來(lái)控制電池電流或電壓。因此，充電器的輸入電壓高于電池電壓，調(diào)整管會(huì)降低兩個(gè)電壓之間的差值。雖然簡(jiǎn)單且便宜，但這種方法可能效率低下。

對(duì)于由交流線(xiàn)路或汽車(chē)電池供電的獨(dú)立單元，效率并不重要;然而，由于電池組和系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，充電器電路通常必須駐留在便攜式設(shè)備或電池組本身中。這種系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上為充電器提供足夠的電力，但低效的電路會(huì)產(chǎn)生多余的熱量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的其他部分出現(xiàn)問(wèn)題。

以下示例說(shuō)明了充電器可以產(chǎn)生多少熱量。由8V±20%供電并以1A為一個(gè)鋰離子電池充電的充電器產(chǎn)生1A（8V-3.8V）= 4.2W的典型功耗。最差情況的耗散為1A（（1.238V）-2.5V）= 7.1W，這意味著充電器的功耗可能比系統(tǒng)多。如果充電器內(nèi)置在電池組中，產(chǎn)生的大部分熱量會(huì)進(jìn)入電池，從而縮短電池壽命并造成潛在的安全隱患。

線(xiàn)性穩(wěn)壓器充電器由于其功耗通常不可接受，因此設(shè)計(jì)人員通常選擇更冷、更高效的開(kāi)關(guān)模式充電器。開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器中的晶體管以電源開(kāi)關(guān)的方式打開(kāi)和關(guān)閉，在截止和飽和狀態(tài)之間突然轉(zhuǎn)換。此操作會(huì)產(chǎn)生一個(gè)矩形波，該矩形波通過(guò)電感/電容濾波器以達(dá)到所需的電壓或電流。

開(kāi)關(guān)模式充電器運(yùn)行溫度更低

開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器的功耗通常遠(yuǎn)小于線(xiàn)性穩(wěn)壓器的功耗;典型的切換臺(tái)效率為 80% 至 90%。對(duì)于上述示例，以80%效率運(yùn)行的典型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器比線(xiàn)性穩(wěn)壓器具有相當(dāng)大的改進(jìn)。切換器的功耗為3.8V31A（（1/0.80）-1）= 0.95W （典型值）和4.2V31A（（1/0.80）-1） = 1.05W （最大值）。

然而，開(kāi)關(guān)模式充電器也有缺點(diǎn)。與線(xiàn)性充電器的全有源元件相比，其昂貴的LC無(wú)源濾波器相對(duì)便宜。此外，開(kāi)關(guān)模式充電器的噪聲遠(yuǎn)大于線(xiàn)性充電器。對(duì)于手機(jī)和其他噪聲敏感型應(yīng)用，電源開(kāi)關(guān)的存在會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生傳導(dǎo)或輻射干擾。您可以通過(guò)適當(dāng)?shù)呐月泛推帘我约斑x擇避開(kāi)音頻、RF和IF頻段的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)防止這些問(wèn)題。

LC濾波器可能占開(kāi)關(guān)模式充電器成本的很大一部分，因此通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小該濾波器的尺寸和成本是值得的。另一方面，頻率過(guò)高會(huì)降低充電器的效率，從而破壞了首先使用開(kāi)關(guān)模式充電器的主要優(yōu)勢(shì)。

開(kāi)關(guān)損耗主要發(fā)生在開(kāi)關(guān)晶體管中。在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的短暫轉(zhuǎn)換間隔期間，電流和電壓電平相對(duì)較高，這些電平會(huì)導(dǎo)致與開(kāi)關(guān)頻率成比例的功耗。設(shè)計(jì)人員很少在這些應(yīng)用中使用雙極晶體管，因?yàn)檫@些晶體管不能足夠快地退出飽和狀態(tài)，無(wú)法在高頻下高效工作。另一方面，如果足夠低的阻抗源驅(qū)動(dòng)其高電容柵極，MOSFET則表現(xiàn)良好。

開(kāi)關(guān)損耗會(huì)降低性能

導(dǎo)通電阻是開(kāi)關(guān)晶體管的另一個(gè)主要損耗源。例如，飽和的MOSFET表現(xiàn)為漏極和源極之間的電阻。更高的導(dǎo)通電阻意味著更高的功耗，但器件技術(shù)大大降低了這種電阻。然而，降低導(dǎo)通電阻通常會(huì)增加?xùn)艠O電容，進(jìn)而增加開(kāi)關(guān)損耗。因此，您必須仔細(xì)選擇MOSFET，以降低整體功耗。

高頻開(kāi)關(guān)的另一個(gè)缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)MOSFET的柵極電容充電和放電時(shí)會(huì)損失功率。這種損耗在對(duì)輕負(fù)載效率的影響方面最為明顯。通過(guò)使用脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 而不是脈寬調(diào)制 （PWM） 來(lái)控制開(kāi)關(guān)晶體管，可以將損耗降至最低。

PWM 電路以固定頻率工作并調(diào)節(jié) V外通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)晶體管的占空比。PFM 電路在固定間隔內(nèi)打開(kāi)晶體管并調(diào)節(jié) V外通過(guò)調(diào)整這些間隔的頻率。因此，對(duì)于輕負(fù)載穩(wěn)壓器，PFM控制消耗的功率更少，因?yàn)楣β示w管的開(kāi)關(guān)速率低至幾赫茲。對(duì)于較重的負(fù)載，PWM 和 PFM 穩(wěn)壓器的典型開(kāi)關(guān)頻率為數(shù)百千赫茲。

處理穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)鋰離子電池充電器時(shí)最困難的問(wèn)題之一。如前所述，充電器輸出必須同時(shí)用作電壓源和電流源。不幸的是，很難使電路在兩種模式下都能正常工作，因?yàn)橐笫敲艿?電流源應(yīng)具有高源阻抗，電壓源應(yīng)具有低源阻抗。充電過(guò)程中電池電壓和電流變化速度緩慢在一定程度上緩解了穩(wěn)定性問(wèn)題。但是，來(lái)自調(diào)節(jié)不良的交流適配器的輸入電壓可能包括大量的60Hz或120Hz紋波，這會(huì)影響充電器的電壓和電流調(diào)節(jié)。

分析一些真實(shí)電路

以下充電器設(shè)計(jì)均符合鋰離子電池的需求，從電流調(diào)節(jié)切換到電壓調(diào)節(jié)。每個(gè)電路都向您展示了不同的充電器設(shè)計(jì)，例如，具有不同數(shù)量的充電電流，以適應(yīng)各種應(yīng)用要求。

圖1a中的降壓充電器調(diào)節(jié)進(jìn)入已放電電池的電流，同時(shí)監(jiān)測(cè)電池的上升端電壓。當(dāng)該電壓達(dá)到R設(shè)定的浮動(dòng)電壓時(shí)1和 R2（本例中為4.2V），電路從電流轉(zhuǎn)換到電壓調(diào)節(jié)，并在電池電流減弱時(shí)保持浮動(dòng)電平。圖中的配置為一個(gè)電池充電，但電路可以串聯(lián)處理多達(dá)三個(gè)鋰離子電池。該電路還可在為電池充電時(shí)提供負(fù)載電流。

IOUT = VREF3R6/（R33（R5+R6）），其中 VREF = 1.28V。

對(duì)于輕負(fù)載電流，由于靜態(tài)功耗固定，效率較低（圖 1b）。該圖顯示了從充電周期開(kāi)始到結(jié)束的效率和輸出功率如何變化。該圖還顯示了電路從電流到電壓調(diào)節(jié)的變化。

圖1.該降壓型電池充電器 （a） 提供 100mA 電流，直到電池電壓升至 4.2V，然后在該電壓下調(diào)節(jié)，直到充電完成。在高輸出功率（b）下實(shí)現(xiàn)最大效率，效率隨著VIN的降低而增加。

因?yàn)橄陆悼缭?D1對(duì)于低 V 更為顯著外，電流調(diào)節(jié)期間的效率也與低輸出電壓成正比。最大功率表示充電器從電流調(diào)節(jié)模式切換到電壓調(diào)節(jié)模式的點(diǎn)。因此，充電器首先向放電的電池提供250mW的功率，峰值為420mW，并在電池充滿(mǎn)電時(shí)降至零。

提供更多電流

外部開(kāi)關(guān) MOSFET 的更大電流能力在提供超過(guò) 200mA 充電電流的電路中非常有用（圖 2）。該電路將輸出電流調(diào)節(jié)在 1A，但 MOSFET 使充電器能夠提供超過(guò) 2.5A 的負(fù)載和電池組合電流。該電路將輸出電壓調(diào)節(jié)為8.4V，但電壓和電流調(diào)節(jié)電路類(lèi)似于圖1a所示。此外，與圖1a中的電路一樣，該電路可以串聯(lián)為多達(dá)三節(jié)鋰離子電池充電。你計(jì)算 V外和我外圖2與圖1a不同，不同之處在于圖2中的IC基準(zhǔn)電壓為1.5V，而不是1.28V。

圖2.對(duì)于需要超過(guò)200mA充電電流的應(yīng)用，該電路在控制器IC外部采用開(kāi)關(guān)MOSFET。

升壓電池充電器

圖3中的充電器與圖1和圖2中的充電器相似，但它采用了升壓轉(zhuǎn)換器（IC1），使電路能夠在低于電池電壓的電壓下工作。該電路的一個(gè)問(wèn)題是從輸入到電池的直流路徑，只要V，就會(huì)允許不受控制的電流通過(guò)電池在超過(guò)電池的端電壓。鋰離子電池電壓不應(yīng)低于2.5V，因此V在每節(jié)電池不應(yīng)超過(guò) 2.5V。

圖3.該升壓型電池充電器在電流模式下調(diào)節(jié)為 0.4A，在電壓模式下調(diào)節(jié)為 8.4V。如果VIN超過(guò)電池電壓，則從輸入到輸出的直流路徑將成為一個(gè)問(wèn)題。

檢流電阻器 R1和共模放大器電阻器 R2到 R5確定電池電流。（R2和 R4應(yīng)該具有相同的值，R應(yīng)該具有相同的值3和 R5.)調(diào)節(jié)電流，I外，等于 V裁判3R2/R33R1.在這種情況下，V裁判= 1.5V，設(shè)置I外= 0.4A。當(dāng)穩(wěn)壓器電路控制時(shí)，如圖1和圖2中的充電器所示，電池電壓調(diào)節(jié)在8.4V。

以固定頻率運(yùn)行

許多應(yīng)用要求開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器和充電器以固定頻率工作。否則，變頻開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)干擾敏感電路，如RF、IF和音頻放大器。例如，在圖4a中，降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器（IC1） 具有一個(gè)內(nèi)部振蕩器，其頻率可由用戶(hù)選擇在 150kHz 或 300kHz 的固定值下，或與外部時(shí)鐘同步。

該充電器還替代了一個(gè)外部同步整流器 MOSFET，Q2，用于傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器中的肖特基箝位二極管。（肖特基二極管，D1，與 MOSFET 保持并聯(lián)，以防止電流波形不連續(xù)。同步整流器 MOSFET 充當(dāng)整流器，其開(kāi)關(guān)與轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)同步。這種布置提高了效率，僅僅是因?yàn)镸OSFET的壓降低于箝位二極管的壓降。這一優(yōu)勢(shì)在低V中尤為重要外二極管壓降占V的很大一部分的應(yīng)用外.第二個(gè)肖特基二極管（D2） 防止電流在低 V 時(shí)從電池流出在或輸入短路。結(jié)果是效率較低，但不如傳統(tǒng)整流電路低。

在電流模式控制期間，IC1將電感電流作為R兩端的壓降進(jìn)行監(jiān)視1，由運(yùn)算放大器 IC 感測(cè)2和電阻器 R2到 R5.控制電路類(lèi)似于圖3。該電路將電池電流調(diào)節(jié)至2.5A±10%，然后將電池電壓調(diào)節(jié)至4.2V±1%。IC內(nèi)部低壓差、5V穩(wěn)壓器1產(chǎn)生一個(gè)電源軌（VL 總線(xiàn)），為內(nèi)部控制電路和 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器供電。因此，V在可以上升到 30V，而不會(huì)驅(qū)動(dòng) MOSFET 柵極超過(guò)其絕對(duì)最大額定值。為了最大限度地降低功耗，VL總線(xiàn)的外部負(fù)載能力（5V時(shí)為5mA）可為IC的低壓運(yùn)算放大器供電2.

因?yàn)镼1的過(guò)渡損耗隨著V的增加而增加在，該電路的測(cè)量效率略有下降，為V在增加（圖4b）。D的下降2與低 V 相比顯著外，因此電流調(diào)節(jié)期間的效率（如圖1b所示）與V明顯成正比外.在大多數(shù)情況下，該電路的效率約為85%。

圖4.該電池充電器（a）中的控制器IC通過(guò)以固定頻率工作來(lái)控制開(kāi)關(guān)噪聲頻譜。效率曲線(xiàn)（b）顯示，充電器在充電開(kāi)始時(shí)提供6W，峰值為10W，并在充電結(jié)束時(shí)逐漸下降到2W。

圖 5a 中的充電器與圖 4a 中的充電器類(lèi)似，不同之處在于該充電器可以處理具有多個(gè)串聯(lián)電池的電池。該電路以300mA電流為兩節(jié)電池充電。分壓器 R2/R3和 R4/R5降低R兩端的電流檢測(cè)電壓1到適合控制器的水平。內(nèi)部電流檢測(cè)放大器具有 2V 至 6V 的共模范圍。為避免引入失調(diào)，應(yīng)在分壓器中使用1%電阻。

另外，C1和 C2抵消分壓電阻形成的極點(diǎn)以及與控制器的 CSH 和 CSL 引腳相關(guān)的寄生電容。該電路調(diào)節(jié)V外至 8.4V;否則，它類(lèi)似于圖 4a 中的單單元版本。圖 5b 顯示了此充電器的 V外/我外特性，圖5c顯示了在各種V值下其效率與輸出功率的關(guān)系在.

圖5.這款鋰離子電池充電器 （a） 可提供 300mA 電流，用于為兩節(jié)串聯(lián)電池充電。兩張圖表說(shuō)明了該電路的性能：輸入電壓為10V至20V （c）時(shí)，VOUT與IOUT（b）和效率與輸出功率的關(guān)系。

不要將所有設(shè)計(jì)精力都花在充電器上;鋰離子電池對(duì)過(guò)放電和過(guò)度充電都很敏感。對(duì)于大多數(shù)這些電池，放電低于2.5V會(huì)降低電池容量。為防止此問(wèn)題，大多數(shù)鋰離子電池組都包含一個(gè)檢測(cè)電路和 MOSFET，如果電池電壓下降過(guò)低，它們會(huì)斷開(kāi)負(fù)載（圖 6）。

圖6.這些電路通過(guò)防止放電低于2.5V來(lái)保護(hù)鋰離子電池。mP 監(jiān)控器 IC 通過(guò)驅(qū)動(dòng) n 溝道 MOSFET 的柵極低 （a） 或 p 溝道 MOSFET 高電平 （b） 來(lái)阻斷電池電流

圖6中的每個(gè)電路都包括一個(gè)μP監(jiān)控器IC，設(shè)計(jì)用于在其電源電壓下降到穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)向μP復(fù)位。在這種情況下，監(jiān)控器控制一個(gè)MOSFET，該MOSFET在預(yù)設(shè)的2.63V閾值下斷開(kāi)電池與負(fù)載的連接，從而防止電池電壓降至2.50V。IC采用微型SOT-23封裝。當(dāng)與Micro-8尺寸的MOSFET（國(guó)際整流器，加利福尼亞州埃爾塞貢多）結(jié)合使用時(shí)，結(jié)果是一個(gè)適合在電池組內(nèi)部使用的小型電路。

在圖6a的電路中，正常工作為n溝道MOSFET的柵極提供正電壓，允許電池電流流向負(fù)載。當(dāng) V抄送降至復(fù)位門(mén)限以下，柵極電壓變?yōu)榈碗娖讲㈥P(guān)斷 MOSFET。相比之下，圖6b的電路支持正常工作，采用低電平柵極驅(qū)動(dòng)至p溝道MOSFET，并標(biāo)記低V。抄送通過(guò)驅(qū)動(dòng) MOSFET 柵極高進(jìn)行條件。

N 溝道 MOSFET 的導(dǎo)通電阻低于等效的 p 溝道類(lèi)型，因此圖 6a 電路的 MOSFET 損耗低于圖 6b 中的電路。但是，一些電池組包括以電池接地為基準(zhǔn)的電量計(jì)和電壓檢測(cè)電路。當(dāng)圖6a中的MOSFET關(guān)斷時(shí)，電路通過(guò)負(fù)載端子將電池的正極端子接地，迫使負(fù)極端子和任何相關(guān)信號(hào)相對(duì)于負(fù)載為負(fù)。這種情況可能會(huì)中斷系統(tǒng)。

圖6中的簡(jiǎn)單電路有一些缺點(diǎn)。監(jiān)控IC的跳閘級(jí)精度在整個(gè)溫度范圍內(nèi)約為±5%，因此必須將標(biāo)稱(chēng)跳閘電平設(shè)置為至少比電池最小端電壓高5%。因此，在某些情況下，電池和負(fù)載可以在V之前斷開(kāi)抄送達(dá)到所需的閾值，將未使用的電量留在電池中。另一個(gè)缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)動(dòng)作中沒(méi)有遲滯。當(dāng)負(fù)載被移除時(shí)，電池電壓會(huì)上升，從而消除電池內(nèi)部阻抗上的壓降。這種上升可以允許負(fù)載重新連接，然后斷開(kāi)連接，然后重新連接，依此類(lèi)推。循環(huán)繼續(xù)，直到電池的開(kāi)路電壓降至復(fù)位閾值以下。

另一種電路結(jié)構(gòu)使用額外的比較器和分壓器來(lái)解決這些問(wèn)題（圖 7）。您可以對(duì)這些電路進(jìn)行編程，使其具有足夠的遲滯以防止循環(huán)，并且使用足夠精度的電阻器可以將閾值電平設(shè)置為±2%以?xún)?nèi)。（比較器的基準(zhǔn)精度為±1%，因此1%電阻產(chǎn)生的總精度約為±2%）。該電路將分壓器偏置為1 μA，該電流足夠低，可最大限度地減少電池消耗，同時(shí)又足夠高，可避免由于比較器的最大輸入偏置電流為±5 nA而導(dǎo)致電平偏移。

圖7.與圖6電路相比，這些電路具有更精確的復(fù)位閾值，以節(jié)省電池能量和遲滯，以防止電池?cái)嚅_(kāi)時(shí)產(chǎn)生顫振。

審核編輯：郭婷