锂离子电池充电系统的差异与选择

　　简介

　　目前，便携式设备的供电问题向系统设计师提出了许多挑战，利用电池作为主电源的做法越来越流行，因此系统设计师必须设计出高度精密的系统，充分挖掘电池的所有潜力。每种应用都是不同的，但有一点却相同：尽可能地充分利用电池的容量，这一目标与如何恰当地为充电电池充电直接相关。为了设计出合适且可靠的电池充电系统，需要对电池的充电特性和应用本身要求有深入的理解，每种方法都有其相应的优缺点，具体应用及其要求才是决定哪种方法最适合的关键因素。

　　充电系统在设计中往往不太受重视，特别是在成本敏感的应用中。然而，充电系统的质量对于电池的寿命和可靠性至关重要。本文探讨了锂离子电池充电的基本原理，并具体讨论了线性充电解决方案和基于单片机的开关式解决方案，以Microchip的MCP73843和MCP73861线性充电管理控制器和PIC16F684单片机以及MCP1630脉宽调制器（PWM）为例展开讨论。

　　锂离子充电

　　充电或放电速率通常根据电池容量来表示。这一速度称为C速率。C速率等于特定条件下的充电或放电电流，定义如下：

I=M×Cn

　　其中：

• 　　I = 充电或放电电流，A
• 　　M = C的倍数或分数
• 　　C = 额定容量的数值，Ah
• 　　N = 小时数（对应于C）。

　　以1倍C速率放电的电池将在一个小时内释放标称的额定容量。例如，如果标称容量是1000mAhr，那么1C的放电速率对应于1000mA的放电电流，C/10的速率对应100mA的放电电流。

　　通常生产商标定的电池容量都是指n=5时，即5小时放电的容量。例如，上述电池在200mA恒流放电时能够提供5小时的工作时间。理论上该电池在1000mA恒流放电时能够提供1小时的工作时间。然而实际上由于大电池放电时效能降低，此时的工作时间将小于1小时。

　　那么怎样才能正确地为锂离子电池充电呢？锂离子电池最适合的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止。参考图1。

　　阶段1：涓流充电——涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充（恢复性充电）。在电池电压低于3V左右时，先采用最大0.1C的恒定电流对电池进行充电。

　　阶段2：恒流充电——当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至1.0C之间。恒流充电时的电流并不要求十分精确，准恒定电流也可以。在线性充电器设计中，电流经常随着电池电压的上升而上升，以尽量减轻传输晶体管上的散热问题。

　　大于1C的恒流充电并不会缩短整个充电周期时间，因此这种做法不可取。当以更高电流充电时，由于电极反应的过压以及电池内部阻抗上的电压上升，电池电压会更快速地上升。恒流充电阶段会变短，但由于下面恒压充电阶段的时间会相应增加，因此总的充电周期时间并不会缩短。

　　阶段3：恒压充电—— 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。为使性能达到最佳，稳压容差应当优于+1%。

　　阶段4：充电终止——与镍电池不同，并不建议对锂离子电池连续涓流充电。连续涓流充电会导致金属锂出现极板电镀效应。这会使电池不稳定，并且有可能导致突然的自动快速解体。

　　有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器（或者两者的结合）。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。

　　上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口（通常为0℃至45℃），那么充电会暂停。

　　锂离子充电——系统注意事项

　　要快速可靠地完成充电过程需要一个高性能的充电系统。为实现可靠且经济高效的解决方案，设计时应当考虑到以下系统参数：

　　输入源

　　许多应用都采用极廉价的墙式适配器作为输入电源。其输出电压主要依赖于交流输入电压和从墙式适配器流出的负载电流。

　　在美国标准的墙面插座上交流母线输入电压的变化范围一般为90VRMS至132VRMS。假设额定输入电压为120VRMS，容差为+10%,−25%。充电器必须为电池提供适当的稳压措施，从而不受输入电压的影响。充电器的输入电压与交流母线电压和充电电流成比例：

VO=2VIN×a-1O(REQ+RPTC)-2×VFD

　　REQ是次级绕组的电阻与初级绕组反射电阻（RP/a2）的和。RPTC是PTC的电阻，VFD是桥式整流器的前向压降。此外变压器磁芯损失也会使输出电压略有降低。

　　利用汽车适配器充电的应用也会遇到类似的问题。汽车适配器的输出电压典型范围为9V至18V。

 

　　恒流充电的速率和精度

 

　　特定应用的拓扑结构选择可能要由充电电流来决定。许多大恒流充电应用或多节电池充电应用都采用开关式充电解决方案来获得更高的效率并避免产生过多热量。出于尺寸和成本方面的考虑，低档和中档的快速充电应用则倾向于采用线性解决方案，然而线性解决方案会以热的形式损失更多能耗。对于线性充电系统来说，恒流充电的容差变得极为重要。如果稳压容差太大，传输晶体管和其他元器件都需要更大体积，从而增加尺寸和成本。此外，如果恒流充电电流过小，整个充电周期将会延长。

　　输出电压的稳定精度

　　为了尽可能地充分利用电池容量，输出电压稳压精度非常关键。输出电压精度的小幅度下降也会导致电池容量的大幅减少。然而出于安全和可靠性方面的考虑，输出电压也不能随意设置得过高。图2显示出了输出电压稳定精度的重要性。

　　充电终止方法

　　毋庸置疑，过充始终是锂离子电池充电的心头大患。准确的充电终止方法对于安全可靠的充电系统来说非常关键。

　　电池温度监控

　　一般情况下，锂离子电池充电时的温度范围应当在0℃至45℃。在此温度范围之外对电池充电会导致电池过热。在充电周期中，电池内的压力上升还会导致电池膨胀。温度与压力直接相关。随着温度上升，压力也会过大，这可能会导致电池内部的机械破裂或材料泄漏，严重时还有可能导致爆炸。在此温度范围之外对电池充电还会损害电池的性能，或缩短电池的预期寿命。

　　通常锂离子电池包内都采用了热敏电阻来准确测量电池温度。充电器检测热敏电阻的阻值，当阻值超出规定工作范围，即温度超过规定范围时，充电被禁止。

　　电池放电电流或反向泄漏电流

　　在许多应用中，即使输入电源不存在，充电系统仍然与电池相连。充电系统必须保证输入电源不存在时，从电池汲取的电流极小。最大泄漏电流应当小于几个微安，通常应小于一个微安。

　　锂离子充电——应用实例

　　将以上几点系统注意事项事先充分考虑，就能开发出适合的充电管理系统。

　　线性解决方案

　　当存在稳压良好的输入电源时，通常采用线性充电解决方案。在此类应用中，线性解决方案的优点包括易用、尺寸小以及成本低。由于线性充电解决方案效率低，因此影响设计的最重要因素就是散热设计。散热设计是输入电压、充电电流以及传输晶体管和环境冷却空气间的热阻。最糟的情况是器件从涓流充电阶段向恒流充电阶段转换时，在此情况下，传输晶体管必须散发最大的热能，必须在充电电流、系统尺寸、成本和散热要求之间进行权衡。

　　例如，应用中需要利用一个5V ±5%的输入电源以0.5C或1C的恒定电流对一个1000mAh的单节锂离子电池充电。图3显示了如何利用Microchip的MCP73843构成一个低成本的独立解决方案，只需要极少量的外部元器件，就可以实现所需要的充电算法。MCP73843完美地结合了高精度恒流充电、恒压稳压以及自动充电终止等功能。

　　为进一步减小线性解决方案的尺寸、降低其成本和复杂性，许多外部元器件都可以集成到充电管理控制器中。先进的封装可以提供更高的集成度，当然也会牺牲一定的灵活性。此类封装需要先进的生产设备，许多情况下避免了返工。通常会集成充电电流检测、传输晶体管以及反向放电保护。此外此类充电管理控制器还会实现一定的热调节功能。热调节功能可根据器件管芯温度来限制充电电流，从而可在保证器件可靠性的情况下优化充电周期时间，热调节功能大大降低了散热设计的工作量。

　　基于Microchip MCP73861的全集成线性解决方案如图4所示。MCP73861包含了MCP73843的所有功能，另外还包括电流检测、传输晶体管、反向放电保护以及电池温度监测。

　　充电周期波形

　　利用MCP73843在1C和0.5C恒流充电速率下的整个充电周期如图5。以0.5C而不是1C速率充电时，充电结束的时间大约晚了一个小时。MCP73843在快速充电过程中会按充电电流成比例地缩减充电终止电流。结果是充电时间延长36%，好处则是电池容量增加2%，同时还减少了功率损耗。充电终止电流从0.07C降到0.035C，使得最终电池容量从~98%增长到~100%。系统设计师必须在充电时间、功率损耗和可用电池容量之间进行权衡。

　　开关式充电解决方案

　　输入电压波动范围宽或输入输出电压差大的应用通常采用开关式充电解决方案。此类应用中，开关式解决方案的优点体现在可以提高效率，缺点则是系统复杂、尺寸相对较大且成本较高。例如应用中需要利用汽车适配器以0.5C或1C的恒定电流对一个2200mAh的单节锂离子电池充电，由于散热等问题，利用线性解决方案实现极为困难，当然也可以采用支持热调节的线性解决方案，但降低充电电流造成的充电周期延长是无法接受的。

　　成功设计开关式充电解决方案的第一步是选择设计结构：降压式、升压式、升/降压式、反激式、单端初级电感式（SEPIC）或者其他形式。根据输入和输出要求以及经验，可以迅速将适用于该应用的选择范围缩小为两种结构：降压式还是SEPIC式。降压式转换器的优点是仅需要一个电感，而缺点是需要额外的二极管用于反向放电保护、高端栅极驱动和电流检测，以及脉冲式输入电流（会导致EMI）。SEPIC拓扑结构的优点是低端栅极驱动和电流检测、持续输入电流以及输入和输出间的直流隔离，其主要缺点是需要两个电感和一个能量传输电容。

 

　　MCP1630是一款可配合单片机使用的高速脉宽调制器(PWM)，配合单片机，MCP1630可控制电源系统占空比，提供输出电压或电流稳定功能。PIC16F684单片机可用于输出稳压或稳流，以及开关频率和最大占空比的调整。MCP1630产生占空比，并可根据不同外部输入提供快速过流保护。外部信号包括输入振荡器、参考电压、反馈电压和电流检测。输出信号是一个方波脉冲。充电器采用的电源结构是SEPIC。单片机提供了极大的设计灵活性。此外单片机还可以与电池包内的电池监控器（Microchip的PS700）通信，从而大大缩短充电周期时间。

　　充电周期波形

　　利用开关式充电解决方案的整个充电周期如图6所示。通过在充电系统中采用电池监控器，可以大大缩短充电周期，使用电池监控器就不必再检测电池包保护电路两端的电压以及充电电流的接触电阻。

　　结论

　　在目前的便携式产品中，要正确地实现电池充电需要仔细地设计考虑。本文讨论了锂离子电池的线性和开关式充电解决方案，本文所探讨的指导原则和设计考虑要素，实际上也是所有电池充电系统设计都需要考虑的。