锂离子电池充电系统的差异与选择

　　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。