給鋰電池充電，對于現(xiàn)代的人來說，已經(jīng)是司空見慣的事情，但對于充電你又了解多少？就拿移動設(shè)備來說，如何保證設(shè)備在充電過程中對電池進行保護？而在充電電路的設(shè)計中，旁路元件又該如何選擇呢？下面我們就從充電電路的原理及應用入手，全方位介紹充電電路，希望能夠?qū)Υ蠹矣兴鶐椭?/p>

　　充電電路的原理及應用

　　鋰離子電池以其優(yōu)良的特性，被廣泛應用于： 手機、攝錄像機、筆記本電腦、無繩電話、電動工具、遙控或電動玩具、照相機等便攜式電子設(shè)備中。

　　一、鋰電池與鎳鎘、鎳氫可充電池：

　　鋰離子電池的負極為石墨晶體，正極通常為二氧化鋰。充電時鋰離子由正極向負極運動而嵌入石墨層中。放電時，鋰離子從石墨晶體內(nèi)負極表面脫離移向正極。所以，在該電池充放電過程中鋰總是以鋰離子形態(tài)出現(xiàn)，而不是以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)。因而這種電池叫做鋰離子電池，簡稱鋰電池。

　　鋰電池具有：體積小、容量大、重量輕、無污染、單節(jié)電壓高、自放電率低、電池循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點，但價格較貴。鎳鎘電池因容量低，自放電嚴重，且對環(huán)境有污染，正逐步被淘汰。鎳氫電池具有較高的性能價格比，且不污染環(huán)境，但單體電壓只有1.2V，因而在使用范圍上受到限制。

　　二、鋰電池的特點：

　　1、具有更高的重量能量比、體積能量比；

　　2、電壓高，單節(jié)鋰電池電壓為3.6V，等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓；

　　3、自放電小可長時間存放，這是該電池最突出的優(yōu)越性；

　　4、無記憶效應。鋰電池不存在鎳鎘電池的所謂記憶效應，所以鋰電池充電前無需放電；

　　5、壽命長。正常工作條件下，鋰電池充/放電循環(huán)次數(shù)遠大于500次；

　　6、可以快速充電。鋰電池通?？梢圆捎?.5～1倍容量的電流充電，使充電時間縮短至1～2小時；

　　7、可以隨意并聯(lián)使用；

　　8、由于電池中不含鎘、鉛、汞等重金屬元素，對環(huán)境無污染，是當代最先進的綠色電池；

　　9、成本高。與其它可充電池相比，鋰電池價格較貴。

　　三、鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ：

　　鋰電池通常有兩種外型：圓柱型和長方型。

　　電池內(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)，用一種非常精細而滲透性很強的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負極間間隔而成。正極包括由鋰和二氧化鈷組成的鋰離子收集極及由鋁薄膜組成的電流收集極。負極由片狀碳材料組成的鋰離子收集極和銅薄膜組成的電流收集極組成。電池內(nèi)充有有機電解質(zhì)溶液。另外還裝有安全閥和PTC元件，以便電池在不正常狀態(tài)及輸出短路時保護電池不受損壞。

　　單節(jié)鋰電池的電壓為3.6V，容量也不可能無限大，因此，常常將單節(jié)鋰電池進行串、并聯(lián)處理，以滿足不同場合的要求。

　　四、鋰電池的充放電要求；

　　1、鋰電池的充電：根據(jù)鋰電池的結(jié)構(gòu)特性，最高充電終止電壓應為4.2V，不能過充，否則會因正極的鋰離子拿走太多，而使電池報廢。其充放電要求較高，可采用專用的恒流、恒壓充電器進行充電。通常恒流充電至4.2V/節(jié)后轉(zhuǎn)入恒壓充電，當恒壓充電電流降至100mA以內(nèi)時，應停止充電。

　　充電電流（mA）=0.1～1.5倍電池容量（如1350mAh的電池，其充電電流可控制在135～2025mA之間）。常規(guī)充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時間約為2～3小時。

　　2、鋰電池的放電：因鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所致，放電時鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負極，以保證在下次充電時鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命就相應縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴格限制放電終止最低電壓，也就是說鋰電池不能過放電。放電終止電壓通常為 3.0V/節(jié)，最低不能低于2.5V/節(jié)。電池放電時間長短與電池容量、放電電流大小有關(guān)。電池放電時間（小時）=電池容量/放電電流。鋰電池放電電流 （mA）不應超過電池容量的3倍。（如1000mAH電池，則放電電流應嚴格控制在3A以內(nèi)）否則會使電池損壞。

　　目前市場上所售鋰電池組內(nèi)部均封有配套的充放電保護板。只要控制好外部的充放電電流即可。

　　五、鋰電池的保護電路：

　　兩節(jié)鋰電池的充放電保護電路如圖一所示。由兩個場效應管和專用保護集成塊S--8232組成，過充電控制管FET2和過放電控制管FET1串聯(lián)于電路，由保護IC監(jiān)視電池電壓并進行控制，當電池電壓上升至4.2V時，過充電保護管FET1截止，停止充電。為防止誤動作，一般在外電路加有延時電容。當電池處于放電狀態(tài)下，電池電壓降至2.55V時，過放電控制管FET1截止，停止向負載供電。過電流保護是在當負載上有較大電流流過時，控制FET1使其截止，停止向負載放電，目的是為了保護電池和場效應管。過電流檢測是利用場效應管的導通電阻作為檢測電阻，監(jiān)視它的電壓降，當電壓降超過設(shè)定值時就停止放電。在電路中一般還加有延時電路，以區(qū)分浪涌電流和短路電流。該電路功能完善，性能可靠，但專業(yè)性強，且專用集成塊不易購買，業(yè)余愛好者不易仿制。

　　六、簡易充電電路：

　　現(xiàn)在有不少商家出售不帶充電板的單節(jié)鋰電池。其性能優(yōu)越，價格低廉，可用于自制產(chǎn)品及鋰電池組的維修代換，因而深受廣大電子愛好者喜愛。有興趣的讀者可參照圖二制作一塊充電板。其原理是：采用恒定電壓給電池充電，確保不會過充。輸入直流電壓高于所充電池電壓3伏即可。R1、Q1、W1、TL431組成精密可調(diào)穩(wěn)壓電路，Q2、W2、R2構(gòu)成可調(diào)恒流電路，Q3、R3、R4、R5、LED為充電指示電路。隨著被充電池電壓的上升，充電電流將逐漸減小，待電池充滿后R4上的壓降將降低，從而使Q3截止， LED將熄滅，為保證電池能夠充足，請在指示燈熄滅后繼續(xù)充1—2小時。使用時請給Q2、Q3裝上合適的散熱器。本電路的優(yōu)點是：制作簡單，元器件易購，充電安全，顯示直觀，并且不會損壞電池．通過改變W1可以對多節(jié)串聯(lián)鋰電池充電，改變W２可以對充電電流進行大范圍調(diào)節(jié)。缺點是：無過放電控制電路。圖三是該充電板的印制板圖（從元件面看的透視圖）。

　　七、單節(jié)鋰電池的應用舉例

　　1、 作電池組維修代換品

　　有許多電池組：如筆記本電腦上用的那種，經(jīng)維修發(fā)現(xiàn)，此電池組損壞時僅是個別電池有問題?？梢赃x用合適的單節(jié)鋰電池進行更換。

　　2、 制作高亮微型電筒

　　筆者曾用單節(jié)3.6V1.6AH鋰電池配合一個白色超高亮度發(fā)光管做成一只微型電筒，使用方便，小巧美觀。而且由于電池容量大，平均每晚使用半小時，至今已用兩個多月仍無需充電。電路如圖四所示。

　　3、代替3V電源

　　由于單節(jié)鋰電池電壓為3.6V。因此僅需一節(jié)鋰電池便可代替兩節(jié)普通電池，給收音機、隨身聽、照相機等小家電產(chǎn)品供電，不僅重量輕，而且連續(xù)使用時間長。

　　八、鋰電池的保存：

　　鋰電池需充足電后保存。在20℃下可儲存半年以上，可見鋰電池適宜在低溫下保存。曾有人建議將充電電池放入冰箱冷藏室內(nèi)保存，的確是個好注意。

　　九、使用注意事項：

　　鋰電池絕對不可解體、鉆孔、穿刺、鋸割、加壓、加熱，否則有可能造成嚴重后果。沒有充電保護板的鋰電池不可短路，不可供小孩玩耍。不能靠近易燃物品、化學物品。報廢的 鋰電池要妥善處理。

　　便攜產(chǎn)品充電電路旁路元件的選擇

　　手機、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、DVD播放器、MP3播放器和PDA等便攜式產(chǎn)品的充電電路設(shè)計可以采用四種不同的拓撲結(jié)構(gòu)。四種解決方案都使用帶外部旁路元件（見圖1）的控制PMU（電源管理單元）。本文將探討外部旁路元件的組成，并將討論各種設(shè)計的優(yōu)點和缺點。

　　圖1 帶外部旁路元件的解決方案

　　選擇旁路元件取決于不同因素和它們各自對設(shè)計的重要性，包括開關(guān)效率、功率損耗、散熱、驅(qū)動電路配置、PMU配置、PCB占位面積、封裝高度、ESD 容差和價格。充電電路額定電流小于600mA時，旁路元件經(jīng)常集成在PMU中，完全不需要外部元件，因此，本文著重于討論額定電流為1A的便攜式產(chǎn)品的充電電路。旁路元件的四種不同的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 旁路元件的四種不同的拓補結(jié)構(gòu)

　　開關(guān)效率對于電路很重要，其中旁路元件的開關(guān)時間引起的損耗將影響電池壽命。

　　正在推出的開關(guān)充電電路在給定面積中的功耗比標準線性穩(wěn)壓器少。拓撲結(jié)構(gòu)A、B和D適用于這種情況，設(shè)計人員在選擇時可以著重考慮MOSFET的開關(guān)時間。

　　導電功耗是影響電路效率的重要因素。旁路元件上的壓降越小，功耗就越小。拓撲結(jié)構(gòu)A和B都含有肖特基二極管，其上的壓降相對較高，因此功耗也較大。拓撲結(jié)構(gòu)C是一個低VCEsat的雙極晶體管（BJT），其中設(shè)計人員必須考慮驅(qū)動電流損耗以及BJT上的損耗。拓撲結(jié)構(gòu)D使用了兩個串聯(lián)現(xiàn)代溝道（modern trench）MOSFET，其中兩個元件都增加了損耗。背靠背布置的小RDS（ON） MOSFET可提供極小的導通功耗。

　　散熱在線性穩(wěn)壓充電電路中起著重要作用。1A的線性穩(wěn)壓使這些超小的封裝產(chǎn)生大量的熱量。散熱方法之一是使用單獨封裝的元件，讓不同元件在PCB上均勻散熱。替代方案是將幾個元件封裝在一起，設(shè)計時需要著重考慮的是封裝熱阻。WDFN 2mm×2mm封裝中的BJT和MOSFET新產(chǎn)品的特征是墊盤暴露在下面，明顯降低了熱阻。使用拓撲結(jié)構(gòu)C（BJT）時，設(shè)計人員需要考慮潛在的熱量流失。

　　驅(qū)動電路配置會受PMU設(shè)計影響，大多數(shù)PMU會提供為BJT或MOSFET設(shè)計的驅(qū)動電路。在分立設(shè)計中，BJT會需要能被吸收或耗散的連續(xù)驅(qū)動電流。增益相對高的BJT需要更小的驅(qū)動電流。MOSFET需要高柵極電壓以得到低導通損耗。對于P溝道器件，可能需要增加一個電平偏移，而N溝道器件可能需要增加一個電荷泵。

　　PMU配置可能使用旁路元件完成充電以外的功能。拓撲結(jié)構(gòu)D中，旁路元件用作開關(guān)，讓電流從充電電池返回到另一個元件或電路。這種配置經(jīng)常用于筆記本電腦中的可拆卸電池組上，其中相同的電池組連接器用于電池充電并對筆記本電腦供電。而且，在電話中，電池可用于驅(qū)動外部揚聲器、MP3播放器、藍牙等。

　　由于設(shè)計人員要不斷滿足更新的挑戰(zhàn)，在更小的空間中容納更多的元件，因此，PCB占位面積和封裝高度也起著重要的作用。WDFN（0.75mm）或 UDFN封裝（0.55mm）的特征是外形極薄、占位面積小且性能高，它們是今天便攜式電子設(shè)備的中常選用的器件封裝方式。如果封裝高度和占位面積不重要，那么設(shè)計人員可以從所有四種拓撲結(jié)構(gòu)選擇多樣化的封裝形式，其中，拓撲結(jié)構(gòu)A需要挑選并放置另一額外元件。

　　隨著便攜式產(chǎn)品越來越小，ESD容差也變得越來越重要。鄰近或在連接器上的ESD電荷變得越來越重要。因為BJT（HB＞8000V）的結(jié)構(gòu)，其抗ESD性能明顯比MOSFET（HB＞300V）好，而且不需要外部ESD保護，因此減少了元件數(shù)量。

　　價格始終是設(shè)計人員需要考慮的一個重要因素。封裝形式越老、封裝尺寸越大，價格就越低。比如，SOT23（3 mm×3mm）是業(yè)內(nèi)成本最低的封裝之一。至于其他小型封裝，如ChipFET（3mm×2mm）或最新的WDFN（2mm×2mm）封裝，尺寸更小、熱阻更低，但是價格較高。在體積較大、形式較老的封裝中使用拓撲結(jié)構(gòu)A將是性價比最高的解決方案。

　　結(jié)論

　　新產(chǎn)品推出時間越來越短，使得設(shè)計工程師不得不重用前一充電電路的設(shè)計，而這種做法常常使制造商陷入更被動的局面，因為他們的競爭對手正在評估最新的技術(shù)并應用這些新解決方案以獲得明顯的性能優(yōu)勢。市場需要更小、更薄、更快、更耐熱和更可靠的產(chǎn)品，在變攜產(chǎn)品的充電電路設(shè)計上，也是同樣，需要設(shè)計工程師考慮多方面的因素，最后取得性能和價格的平衡，使自己的產(chǎn)品能接受市場的挑戰(zhàn)。

　　如何權(quán)衡充電電池與電源管理

　　便攜式電子設(shè)備設(shè)計人員可以選擇各種各樣的化學技術(shù)、充電器拓撲以及充電管理解決方案。選擇一款最為合適的解決方案應該是一項很簡單的工作，但是在大多數(shù)情況下這一過程頗為復雜。設(shè)計人員需要在性能、成本、外形尺寸以及其他關(guān)鍵要求方面找到一個最佳平衡點。

　　本文將為廣大設(shè)計人員和系統(tǒng)工程師提供一些指導和幫助以使得該選擇工作變得更為輕松。

　　以3“C”開始實現(xiàn)充電控制

　　所有使用可充電電池的系統(tǒng)設(shè)計人員都需要清楚一些基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)，以確保滿足下面三個關(guān)鍵的要求：

　　1、電池安全性：毋庸置疑，終端用戶安全是所有系統(tǒng)設(shè)計中最優(yōu)先考慮的問題。大多數(shù)鋰離子（Li-Ion）電池組和鋰聚合物（Li-Pol）電池組都含有保護電子電路。然而，還有一些系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵因素。其中包括但不局限于確保在鋰離子電池充電最后階段期間1%的穩(wěn)壓容限、安全處理深度放電電池的預處理模式、安全計時器以及電池溫度監(jiān)控。

　　2、電池容量：所有的電池充電解決方案都要確保在每一次和每一個充電周期都能將電池容量充至充滿狀態(tài)。過早的終止充電會導致電池運行時間縮短，這是當今高功耗的便攜式設(shè)備所不希望的。

　　3、電池使用壽命：遵循建議的充電算法是確保終端用戶實現(xiàn)每個電池組最多充電周期的重要一步。利用電池溫度和電壓限定每一次充電、預處理深度放電電池并避免過晚或非正常充電終止是最大化電池使用壽命所必須的一些步驟。

　　表1：充電控制總結(jié)。

　　電池化學技術(shù)的選擇

　　現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計人員可以在多種電池化學技術(shù)中進行選擇。設(shè)計人員通常會根據(jù)下面的一些標準進行電池化學技術(shù)的選擇，其中包括：

　　· 能量密度

　　· 規(guī)格和外形尺寸

　　· 成本

　　· 使用模式和使用壽命

　　近年來，盡管使用鋰離子電池和鋰聚合物電池的趨勢增強，但是Ni電池化學技術(shù)仍然是諸多消費類應用一個不錯的選項。

　　無論選擇何種電池化學技術(shù)，遵循每一種電池化學技術(shù)的正確充電管理技術(shù)都是至關(guān)重要的。這些技術(shù)將確保電池在每一次和每個充電周期都能被充至最大容量，而不會降低安全性或縮短電池使用壽命。

　　NiCd/NIMH

　　在一個充電周期開始之前，并且盡可能在開始快速充電之前對鎳鎘（NiCd）電池和鎳氫（NiMH）電池必須要進行檢驗和調(diào)節(jié)。如果電池電壓或溫度超出了允許的極限是不允許進行快速充電的。出于安全考慮，對所有“熱”電池（一般高于45℃）的充電工作都會暫時終止，直到電池冷卻到正常工作溫度范圍內(nèi)才會再次運轉(zhuǎn)。要想處理一個“冷”電池（一般低于10℃）或過度放電的電池（每節(jié)電池通常低于1V），需要施加一個溫和的點滴式電流。

　　當電池溫度和電壓正確時快速充電開始。通常用1℃或更低的恒定電流對NiMH電池進行充電。一些NiCd電池可以用高達4C的速率進行充電。采用適當?shù)某潆娊K止來避免有害的過充電。

　　就鎳基可充電電池而言，快速充電終止基于電壓或溫度。如圖1所示，典型的電壓終止方法是峰值電壓探測，在峰值時即每個電池的電壓在0～-4mV范圍內(nèi)，快速充電被終止。基于溫度的快速充電終止方法是觀察電池溫度上升率T/t來探測完全充電。典型的T/t率為1℃/每分鐘。

　　圖1：鎳電池化學技術(shù)的充電曲線。

　　鋰離子/鋰聚合物電池

　　與NiCd電池和NiMH電池相類似，在快速充電之前盡可能檢驗并調(diào)節(jié)鋰離子電池。驗證和處理方法與上述使用的方法相類似。

　　如圖2所示，驗證和預處理之后，先用一個1C或更低的電流對鋰離子電池進行充電，直到電池達到其充電電壓極限為止。該充電階段通常會補充高達70%的電池容量。然后用一個通常為4.2V的恒定電壓對電池進行充電。為將安全性和電池容量，必須要將充電壓穩(wěn)定在至少1%。在此充電期間，電池汲取的充電電流逐漸下降。就1C充電率而言，一旦電流電平下降到初始充電電流的10-15%以下充電通常就會終止。

　　圖2：鋰離子電池化學技術(shù)充電曲線。

　　開關(guān)模式與線性充電拓撲的對比

　　傳統(tǒng)上來說，手持設(shè)備都使用線性充電拓撲。該方法具有諸多優(yōu)勢：低實施成本、設(shè)計簡捷以及無高頻開關(guān)的無噪聲運行。但是，線性拓撲會增加系統(tǒng)功耗，尤其是當電池容量更高引起的充電率增加的時候。如果設(shè)計人員無法管理設(shè)計的散熱問題，這就會成為一個主要缺點。

　　當PC USB端口作為電源時，則會出現(xiàn)其他一些缺點。當今在許多便攜式設(shè)計上都具有USB充電選項，并且都可提供高達500mA的充電率。就線性解決方案而言，由于其效率較低，可以從PC USB傳輸?shù)摹半娔堋绷烤捅淮蟠蠼档?，從而導致了充電時間過長。

　　這就是開關(guān)模式拓撲有用武之地的原因。開關(guān)模式拓撲的主要優(yōu)勢在于效率的提高。與線性穩(wěn)壓器不同，電源開關(guān)（或多個開關(guān)）在飽和的區(qū)域內(nèi)運行，其大大降低了總體損耗。降壓轉(zhuǎn)換器*率損耗的主要包括開關(guān)損耗（在電源開關(guān)中）以及濾波電感中的DC損耗。根據(jù)設(shè)計參數(shù)的不同，在這些應用中出現(xiàn)效率大大高于 95%的情況就不足為奇了。

　　當人們聽到開關(guān)模式這個術(shù)語時大多數(shù)人都會想到大型IC、大PowerFET以及超大型電感！事實上，雖然對于處理數(shù)十安培電流的應用而言確實是這樣，但是對于手持設(shè)備的新一代解決方案而言情況就不一樣了。新一代單體鋰離子開關(guān)模式充電器采用了最高級別的芯片集成，高于1MHZ的使用頻率以最小化電感尺寸。圖1說明了當今市場上已開始銷售的此類解決方案。該硅芯片的尺寸不到4mm2，其集成了高側(cè)和低側(cè)PowerFET。由于采用了3MHz開關(guān)頻率，該解決方案要求一個小型1uH電感，其外形尺寸僅為：2mmx2.5mmx1.2mm（WxLxH）。

　　應用新型充電方案，提高鋰電子電池的充電安全

　　鋰離子電池以其能量密度高、體積小、重量輕等優(yōu)點，在手機、筆記本電腦市場已經(jīng)完全取代其他電池，占有率幾乎達到了100%。目前，鋰電池正迅速延伸至電動工具及其他的應用中，它廣闊的市場前景也越來越得到業(yè)界的認同。不過，與鎳氫、鎳鎘、鉛酸電池相比，要更快地推動鋰離子電池的應用和發(fā)展，還必須不斷提高它的安全性和使用壽命。本文將從充電器角度，討論一種新型的充電解決方案以提高鋰電池的安全性，延長電池使用壽命，同時降低充電器的成本。

　　在使用電池的過程中，我們常會聽到電池業(yè)者這樣的一句話：“電池使用中壞的少，更多的是被充壞的”。這句話我們可以理解為，不正確的充電條件或方法將更容易損害電池、降低電池的壽命。以18650鈷酸鋰離子電池為例，當充電過溫，在70℃左右：電解質(zhì)界面（SEI）模開始分解并發(fā)熱；120℃左右：電解質(zhì)、正極開始熱分解，造成析氣并使溫度迅速上升；在到260℃左右：電池爆炸。或充電過壓，以過壓5.5V來看，容易使鋰金屬析出，溶劑被氧化，溫度上升，產(chǎn)生惡性循環(huán)，甚至電池著火、爆炸。因此，針對如何充電，我們共同來探討下面幾個重要的問題。

　　為什么需要預充功能？

　　電池工作電壓從2.5V（碳負極電池：3V，電量為0%）到4.2V（電量為100%）。當電壓小于2.5V時，電池放電終止。同時因為放電回路關(guān)閉使內(nèi)部保護電路的電流損耗也降為最低。當然，實際應用中由于不同的內(nèi)部材質(zhì)，放電終止電壓可在2.5V-3.0V范圍。當電壓超過4.2V時，充電回路終止，以保護電池安全；而當單體電池工作電壓降到3.0V以下，我們即可認為過放電狀態(tài)，放電回路終止，以保護電池安全。所以電池不用時，應將電池充電 20%的電量，再進行防潮保存。

　　由于鋰離子電池具有較高的能量比，因此在電池使用中要嚴格避免過充，過放的現(xiàn)象。過放會導致活性物質(zhì)的恢復困難，此時如果直接進入快速沖電模式 （大電流），會對電池產(chǎn)生損害，影響使用壽命并可能因此帶來安全隱患。先以小電流（C/10）充到2.5V至3.0V，再轉(zhuǎn)換成快充是必要的。

　　雖然目前鋰離子電池在應用中都帶有保護板，在通常的情況下，發(fā)生過放的幾率會很小，但不加預充功能，在這兩種情況下的情況還是可能帶來過放的隱患。一是保護板失效，二是長時間放置（5%-10%/月）的自放電率。因此小電流預充可以有效解決過放電池的充電問題。

　　但是，充電電流并非越大越好。以單體鋰離子電池為例，它的充電方式都包括恒流、恒壓充電過程，恒壓通常為4.2V（以LiCoO2電池為例），恒流設(shè)置值為0.1C～1C。雖然大電流的充電會縮短充電時間，但也會造成電池生命周期的縮短和容量的降低，因此我們需選擇恰當?shù)暮懔髦颠M行充電。

　　下面是一個4.2V/900mAH LiCoO2電芯的不同電流充電與電池容量的關(guān)系曲線（圖1），我們可以看出大約500個充放周期后，小電流充電的電池容量明顯大于大電流充電的電池容量。

　　恒壓充電時的電壓精度要求

　　作為高能量密度電池，過充會對鋰離子電池造成很大的危害，有可能會膨脹漏液甚至發(fā)生爆炸。而且過充容易造成電池里面的電解物質(zhì)加快反應而造成電池的使用壽命減短，因此準確的恒壓值充電對鋰離子電池的使用壽命而言有著重要的意義。

　　為了更充分地充滿電，要保證恒壓值和終止電壓值的精度在1%之內(nèi)。以鈷酸鋰離子電池為例，最好能盡可能接近4.2V，但又不超過4.2V，這種高精度的電壓充電法，可以減少鈷的溶解，穩(wěn)定LiCoO2的層狀結(jié)構(gòu)，使它的包覆不發(fā)生相變，提高循環(huán)性能，并保持高容量。此外，即使輕微的過壓也會帶來兩個現(xiàn)象的改變，電池初始容量減小和電池循環(huán)壽命降低。

　　在多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的情況下，為保證獲到最大的電池容量和壽命，因此有時甚至要求精度達到0.5%以內(nèi)。所以說，充電電壓的精度控制是鋰離子電池充電器的一個關(guān)鍵技術(shù)。

　　目前人們對鋰電池充電電壓有這樣一個誤解，認為有了電池保護板，在電壓精度上不必關(guān)心，這是不可取的。因為電池保護板目的是用于對可能的意外事故進行及時的保護，它考慮的比較多的是安全因素，而不是性能因素。比如以4.2V的電芯為例，保護板的過壓保護參數(shù)是4.30V（有的可能會要 4.4V），假如每次都過充，以4.30V作為充電截止點，電池容量也會很快衰減的。

　　為什么需要充電定時器

　　曾有一家充電器廠商表示，他們以前常碰到充電器用戶來退貨，說充電器壞了，原因是電池充了一天，電池都充不飽，充電器不轉(zhuǎn)燈，一直是紅燈?？蓮S家對充電器實際測量時，又發(fā)現(xiàn)它是正常的，符合出廠要求。這是什么問題呢？這主要是因為這充電器沒考慮到電池的老化后自放電變大。如果截止充電的電流設(shè)置過小，將使得老化的電池一直達不到充電完成的設(shè)置點，從而使得用戶產(chǎn)生誤判，認為充電器已壞。

　　充電定時器的作用就是防止已損害的或過多循環(huán)的鋰電池，在充電的截止段，由于自放電過大，使電池難以進入EOC的狀態(tài)（高于判斷電流），一方面給用戶帶來電池充不飽的誤判，另一方面也可能由于過長時間的充電，帶來電池過熱發(fā)生膨脹，甚至危險。

　　針對這些因素考量，凹凸科技（O2Micro）推出的新型多串鋰離子電池充電芯片OZ8981已是一個完善的解決方案。OZ8981是一個專用的充電管理集成芯片，它帶精確電壓，電流輸出和多重保護，并提供六階段充電控制模式，系統(tǒng)設(shè)計方便且成本低。它主要針對用于輕型電動汽車，電動自行車和電動工具上多節(jié)鋰離子電池包。

　　高性價比和高可靠性的OZ8981包含單芯片集成充電控制器，可實現(xiàn)高效的誤差放大器輸出。它支持0V脈沖充電、預充電、恒流充電、恒壓充電、截止充電、自動再充電六階段智能充電控制。支持對預充電的啟動電壓、恒流充電值、恒壓充電值及截止充電電流值進行靈活設(shè)置。

　　此外，OZ8981具有高精準充電電壓（《1%）和電流（《5%）輸出；通過外部電阻調(diào)整，電壓輸出精度可《0.5%。支持雙充電定時器保護：預充電定時，恒壓充電定時（最大5小時，或不使用）。支持雙溫度保護：芯片內(nèi)部溫度保護（115℃），外部過高溫保護（默認：44℃） 和過低溫保護（默認：2℃）。外部溫度保護點可外部靈活設(shè)置。支持充電過壓保護、過流保護、短路保護。支持電池自動接入檢測，支持充電狀態(tài)的直接LED顯示。該器件采用通用封裝SOP16。

　　圖4為OZ8981鋰離子電池充電曲線圖。通過與前端PWM芯片的結(jié)合，OZ8981將幫用戶快速的實現(xiàn)安全高效且低成本的鋰離子電池充電器設(shè)計。

　　安森美新電池充電技術(shù)應對便攜設(shè)備新挑戰(zhàn)

　　近年來，智能手機、平板電腦等便攜設(shè)備市場強勁發(fā)展，更大尺寸的屏幕日漸流行，消費者對應用處理器、圖形處理器及外設(shè)的電源管理體驗的要求越來越高。這些促使便攜設(shè)備采用更大容量的電池，如一些最新智能手機配備了2000 mAh甚至達3000 mAh電池，電池生態(tài)系統(tǒng)趨勢也隨之發(fā)生了重大變化。

　　此外，許多便攜設(shè)備的輸入連接也從專有方案轉(zhuǎn)為微型USB插口；USB供電（rev 1.0 Jul 2012） 標準的發(fā)布，更能適應最新的便攜設(shè)備USB端口的供電要求。這些都迫切需要既可提高能效又滿足上述要求的技術(shù)解決方案。推動高能效創(chuàng)新的安森美半導體新推出了NCP185x系列開關(guān)電池充電方案，幫助設(shè)計工程師應對便攜設(shè)備大容量電池的快速充電挑戰(zhàn)，并幫助優(yōu)化用戶體驗。

　　采用新穎的自動輸入限流器（AICL）技術(shù)實現(xiàn)更快速充電

　　電池充放電管理在便攜設(shè)備設(shè)計的合理性和可靠性方面至關(guān)重要。電池充放電的挑戰(zhàn)之一是需要強固性、高能效及快速充電時間來滿足當今高性能、空間受限型應用的要求。而大容量電池需要更大的充電電流來縮短充電時間。

　　傳統(tǒng)線性電池充電方式（包括脈沖方式）在大電流下存在效率較低、發(fā)熱量大等問題。與線性解決方案相比，開關(guān)充電方案有明顯的優(yōu)勢，如可從輸入轉(zhuǎn)換更多的電能至輸出；工作能效更高，可降低能耗及簡化手機設(shè)計；在輸入源受限時（如采用5 V，500 mA USB端口充電），能提供更大的電流。綜合上述優(yōu)勢，開關(guān)電池充電器件的充電速度可比線性電池充電器快30%。

　　由于手機等設(shè)備無法知道用戶使用的電源適配器或USB端口的負載電流能力，所以充電管理器件必須具有檢測適配器或USB端口負載電流的功能，以確保手機設(shè)備在安全電流條件下工作。在充電結(jié)束后，充電管理器件應斷開與系統(tǒng)的連接，系統(tǒng)從外部電源取電；只有當外部電源移出時，系統(tǒng)才從電池取電。

　　安森美半導體的NCP185x系列開關(guān)電池充電器件就是一種新的充電技術(shù)。其充電過程迅速，具有自動輸入限流（AICL）功能；在充電結(jié)束時還可自動斷開電池連接，延長電池壽命。它可以提供更大的輸出電流，效率高達85％，發(fā)熱量小，實現(xiàn)更快、更安全高效的充電，有助于提升用戶體驗；還可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，簡化系統(tǒng)設(shè)計。

　　NCP185x系列在輸入源受限的情況下，采用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充電規(guī)范的輸入電流限制器，利用自動檢測模式在最大充電電流時進行調(diào)整，使其適應輸入源的能力，并可縮短最少達10分鐘的總體充電時間。

　　圖1：利用自動輸入限流縮短總體充電時間

　　充電結(jié)束時自動斷開電池連接，延長電池使用壽命

　　不少用戶經(jīng)常抱怨電池壽命短，許多便攜系統(tǒng)的電池壽命在使用幾個月后就受到明顯影響，原因是電池在充電結(jié)束后還一直在充電。優(yōu)化電池總體壽命的方法是在充電結(jié)束時電池連接即自動斷開。安森美半導體NCP185x帶有充放電路徑管理功能，可以在系統(tǒng)充電結(jié)束時自動斷開電池連接，系統(tǒng)僅從外部帶有適配器或 USB端口取電，僅在出現(xiàn)峰值電流活動（大于外部電源適配器所能提供的電流，如使用GSM）時，才導通電池與系統(tǒng)之間連接，短時間從系統(tǒng)補充電流，其他時間電池與系統(tǒng)保持管理。在外部電源連接情況下，系統(tǒng)優(yōu)先從外部適配器取電，以保存電池電量，延長電池使用時間，如圖2所示。

　　圖2：充電結(jié)束時自動斷開電池連接

　　如果使用不帶充放電路徑管理的器件，充電結(jié)束后，充電模塊關(guān)閉，系統(tǒng)開始從電池取電，電池電壓隨之降低，一旦電壓降低到一個門限值，充電周期重新開始，使電池經(jīng)常處于充放電、再充電循環(huán)之中，容易造成電池過早老化。

　　即時導通技術(shù)改善用戶體驗

　　電池充電的另一個挑戰(zhàn)是需要改善用戶體驗。用戶時常有這樣的疑問：為什么電池電量低時我要充電5分鐘后系統(tǒng)才能導通系統(tǒng)？這是因為當用戶連接便攜設(shè)備充電的同時，通常也需要使用設(shè)備。令人尷尬的是，即使是最新型設(shè)備也要求約5分鐘的初始充電，然后才允許系統(tǒng)啟動及使用。如果采用雙路徑管理（DPM）技術(shù)，即可在插入充電線纜時立即導通便攜設(shè)備。

　　NCP185x系列就應用了這樣的即時導通系統(tǒng)技術(shù)，由于器件內(nèi)集成的電流源可為電池充電，即使電池電壓非常低，當用戶插入電源適配器時，也可使系統(tǒng)電壓保持在3.6V，讓系統(tǒng)立即開啟，無需等待；另外，內(nèi)部集成的一個5 V升壓器支持USB On-The-Go（OTG）反向供電，或用于HDMI接口的DDC電壓供電，可以一邊安全地給電池充電，一邊單獨為系統(tǒng)供電，如圖3所示。當電池電壓達到3.4 V時預充電結(jié)束，外部充電MOS管導通，系統(tǒng)電壓跟隨電池電壓。傳統(tǒng)充電器在電池電量低時，電池需要預充電一段時間，等待電池電壓恢復到最低電壓以上才能開機。

　　圖3：插入充電線纜時即時導通便攜設(shè)備

　　安森美半導體的器件還支持死電池激活。當電池電壓低于2.2 V時，開關(guān)充電器件提供10 mA小電流激活電池。此時系統(tǒng)仍可立即開機。

　　支持USB OTG附件

　　對于平板電腦來說，通常需要支持USB OTG功能。USB OTG附件要求便攜設(shè)備在USB事務(wù)處理中充當USB主機，在VBUS線路上提供5 V輸出電壓，供外設(shè)使用；一些智能手機帶有HDMI輸出接口，也需要一個5 V DDC電壓。這通常要使用外部升壓直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器將電池電壓升壓至5 V、500 mA的穩(wěn)壓電壓軌。NCP185x系列器件集成了一個5 V升壓器，能支持USB OTG附件或HDMI輸出接口，最大提供500 mA電流，并省去了一個外部升壓轉(zhuǎn)換器。NCP185x系列接地的ID引腳可以識別USB OTG附件，應用反向升壓轉(zhuǎn)換器來提供5 V、500 mA輸出，不僅可以支持USB OTG功能，還可以為物料單（BOM）節(jié)省1顆額外電感。

　　圖4：支持USB OTG功能

　　多管齊下保證設(shè)備的安全性

　　另一個電池充電的挑戰(zhàn)是要保證設(shè)備安全性不受影響。NCP185x系列采用了多種安全措施來實現(xiàn)這一目標，包括正向及負向嵌入式過壓保護（OVP）、內(nèi)部結(jié)溫傳感器及管理，以及外部電池負溫度系數(shù)（NTC）及JEITA管理，而且可提供事件報告機制，將插入、過壓、過熱、過冷、充電周期狀態(tài)、充電開始、充電完成等報告給CPU進行相應處理。

　　獨特的正向及負向過壓保護可防止新便攜設(shè)備受到過壓的損壞。線纜及充電器都是一般商品，在廉價的零配件市場就可以買到，出現(xiàn)故障的可能性很高。充電源可以是交流適配器（電壓達20 V）、計算機USB端口（通常12 V-20 V）、小汽車車載套件（典型值12 V）或卡車（典型值24 V），因此只有強固的正向28 V過壓保護才可以保護設(shè)備的安全，且在上述所有應用場景下都提供足夠的裕量。NCP185x系列可提供+28 V過壓保護，可防止充電器故障或熱插拔時過高的浪涌電壓損壞開關(guān)充電器件；此外還有一種情況，在出現(xiàn)插口/連接器故障時，VIN和GND可能反向，NCP1852率先提供了-20 V OVP能力以幫助保護正在充電的手機。

　　NCP185x系列具有電池溫度監(jiān)測功能，可監(jiān)測4個溫度區(qū)（根據(jù)JEITA規(guī)范）：冷＜+5℃，不充電；正常溫度+5℃至+45℃，滿額充電；熱＞45℃，降低充電電流；燙＞65℃，不充電，從而確保電池充電過程不會過熱、起火和爆炸。電池溫度監(jiān)測功能是完全可軟件編程的。

　　圖4：4個溫度區(qū)的電池溫度監(jiān)測

　　NCP185x系列還可以將充電操作的變化或意料之外的故障報告給外部FLAG引腳，以便中斷充電；應用處理器可以通過I2C啟動充電控制及充電周期，且配合報告充電事件。

　　寬廣陣容的NCP185x系列應對不同需求

　　安森美半導體提供豐富的開關(guān)電池充電器件產(chǎn)品陣容來應對便攜設(shè)備的充電挑戰(zhàn)。NCP185x系列目前包括的NCP1850、NCP1851和 NCP1852三款產(chǎn)品都可以滿足這一要求，并又各有特色。今后，這系列產(chǎn)品還將增加更多產(chǎn)品，支持更大充電電流，配合用戶的更廣泛需求。

　　圖5：安森美半導體NCP185x系列開關(guān)電池充電器產(chǎn)品架構(gòu)

　　其中，NCP1851是一款低高度、1.6 A、極具創(chuàng)新的開關(guān)電池充電器，允許使用功率有限的電源，如標準墻壁充電器和USB；NCP1852是首款帶+28V/-20V OVP的1.8A SBC，允許使用高功率墻壁充電器和USB等電源；NCP1850則是帶雙路徑的最小尺寸1.5 A SBC，允許以低系統(tǒng)成本使用標準墻充電器和USB等功率有限的電源。

　　以NCP1851為例，它是一款完全可編程的鋰離子開關(guān)電池充電器件，可大幅縮短充電時間，延長電池使用時間，并增添了先進的啟動功能。該器件集成了動態(tài)電源路徑管理功能，在電池電量低的情況下能迅速導通系統(tǒng)，對已深度放電的電池充電。該器件的內(nèi)部結(jié)溫傳感器，以及外部負溫度系數(shù)熱敏電阻通過將專用中斷傳達給I2C控制總線來確保系統(tǒng)安全充電。NCP1851提供USB OTG模式，無需另一個升壓轉(zhuǎn)換器，即可將電源配件插入USB端口。NCP1851提供1.6 A充電能力，尺寸僅為2.2×2.55 mm，用于符合USB標準的最新輸入電源及大容量電池，能在90分鐘內(nèi)完成1，650 mAh、4.2 V鋰離子電池的完整充電周期。

　　NCP1851與NCP185x系列的其他產(chǎn)品一樣，比競爭產(chǎn)品有更高的過壓保護能力、更大的充電電流，以及更大的USB OTG反向輸入電流能力，支持態(tài)路徑管理及電池激活功能。這些新器件所具有的快速充電時間性能及先進的功能組合，能以單芯片方案簡單地融入到最新USB充電設(shè)計中，為提升智能手機、平板電腦及其它手持設(shè)備（包括便攜醫(yī)療產(chǎn)品）的能效，實現(xiàn)這些產(chǎn)品的更高集成度、小型化、易用性、便攜性和耐久性提供了完善的解決方案，也使安森美半導體的開關(guān)電池充電器件贏得了更多主要客戶的青睞和采用。

　　總結(jié)：

　　智能手機及平板電腦等便攜設(shè)備越來越趨向采用更大容量的電池以配合大屏幕背光及多內(nèi)核處理器工作對電池電量的更高需求。與此同時，用戶需要快速的充電時間，且可能在充電時使用設(shè)備，還期望延長電池使用壽命及支持USB OTG附件等。安森美半導體的NCP185x系列大電流開關(guān)電池充電器幫助設(shè)計人員解決這些挑戰(zhàn)，不僅更快速高速地充電，還提供豐富保護特性，優(yōu)化用戶體驗，幫助設(shè)計人員開發(fā)出更具競爭力的便攜產(chǎn)品。