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便携式应用中的充电技术

作者:Khosrow Khy Vijeh,美国国家半导体公司时间:2008-02-02来源:EDN收藏

    当今的便携式应用对电池方面有很多特定的的要求。它们要求高能量密度来提供无限的电源(瞬时的和持续的)。它们必须重量轻且体积小。电池必须在使用时保证安全,甚至在可能的误用情况下,还要有无限的保存寿命。另外它们的成本必须尽可能降低。由于锂离子或锂聚合物电池满足这些需求中的大部分,它们已经成为当前便携式应用的首选电池。

  可再充电锂离子电池的一般特性
  可再充电锂离子电池在若干方面比其它电池具有优势,使得它们更适合于用作便携式应用的电源。它们提供了更高的能量密度(可高达200 Wh/kg,300-400 Wh/L)以及更高的电池电压(带碳阳极的电池为4.1V,带石墨阳
 
极的电池为4.2V)。锂离子电池以棱柱形式提供,还具有更长的充电保持时间或保存寿命以及更长的充电周期。
  锂离子电池较高的能量密度加上较高电池电压的化学特性使人们能制造出较小且较轻的电池,这类电池对于那些将较轻且较小电源作为关键要求的应用而言非常理想。但是,为了有效地利用这种电池的容量和相当长的电池寿命,需要极其严格地控制充电参数。
  电池寿命的关键是选择合适的电流、电压和温度等充电参数。在充电期间所施加电压的精度对于电池的效率和寿命起到非常重要的作用。超过端接电压会导致过度充电,短期来看是增加了电池的可用能量,但是长期来看将会引起电池失效,并且可能导致安全问题。
  过度充电的影响是累积性的,如图1所示。
  每提高1%的充电端电压,初始容量会提高约5%。这种明显的短期提高对于电池的充电/放电周期具有严重的后果。过度充电引起的充电周期缩短如图2所示。

过度充电的影响是累积性的
   (图中英文的翻译:capacity-容量;Discharge Termination Voltage-放电端电压;Charge Termination Voltage-充电端电压)
 
过度充电引起的充电周期缩短
  (Charge/Discharge Cycles-充电/放电周期;Charge Termination Voltage-充电端接电压)
  另一方面,充电不足虽然不会引起安全问题,但是会大大降低电池的容量。充电不足对电池容量的影响如图3所示。

充电不足对电池容量的影响
  (图中英文的翻译:Reduction in Pack Capacity-电池容量的降低;Electronic's Total Error-充电总误差)
  一般来说给锂离子电池充电从概念上说是非常简单的。为了了解锂离子电池充电的细微之处,图4给出了普通锂离子电池的等效电路图。电池的等效电路特征一般被看作是一个具有极高电容C及内部漏电电阻RLeakage的电容器。
 
普通锂离子电池的等效电路图
  引线与电池本身之间的电阻和电感表述为有效串联电阻(ESR)和有效串联电感(ESL)。这些参数是电池机械结构以及特定化学成分的函数。与电池相关的ESR在50到200 mW之间,而ESL在纳亨数量级。我们在文章的后面将会看到,ESR给充电周期内的精确电池电压检测带来了特别的难题。
  对于锂离子电池可以采用不同的充电方法。最简单的锂离子电池充电器通常称为恒定电压(CV)充电器(见图5)。这类充电器由一个电流有限制的恒定电压源组成,该电压源连接到电池端子。电流被限制为低于电池容量,并且其输出电压被调节到电池端接电压(碳阳极电池为4.1 V,石墨阳极电池为4.2 V)。
  未充电的电池将会汲取充电电源中可用的所有电流来充电。随着电池被充电,其两端的电压将提高,而充电电流将逐渐降低。当充电电流降到低于0.1C时,就认为电池被充分充电了。在充电完成时,充电器必须完全关闭或者撤除,因为对于锂离子不推荐涓流充电。为了防止有缺陷的电池无休止地遭受充电电流,采用了一个备用定时器来终止充电周期。
  CV充电是一个相对节省成本的方法,但是这种方法却要求很长的电池充电时间。由于在电池充电期间充电电源电压保持恒定,充电电流降低得很快,因而充电速率也降低得很快。这样,电池就只是在比其能够接受的低得多的电流强度下进行充电。

最简单的锂离子电池充电器通常称为恒定电压
  (图中:30v max. …--最大 30V 直流电源,有电流限制;short for …--对石墨阳极短路,对碳阳极开路;Drive-驱动器;Power off switch-断电开关;(1 or 2 cell) …--(带 1 或 2 个电池)的锂离子蓄电池)
  一个较快的方法是图6所示的恒定电流/恒定电压(CC/CV)充电。在CC/CV充电器中,充电通过施加一个等于电池电容C的恒定电流开始。在CC周期中,为了防止过度充电而监视了电池组端子的电压。当电压达到特定的端接电压时,电路切换为恒定电压电源工作模式。这时虽然电池组端子电压达到了端接电压,但由于ESR上的压降,实际上的电池电压将会低一些。
  在CC充电期间,电池可以在接近其端接电压的情况下以高电流强度进行充电,不会对电池造成过高电压和过度充电的危险,这期间电池
被充电到大约85%的容量。在完成CC周期之后,充电器切换到恒定电压充电周期。在CV周期中,监视充电电流来确定充电结束。就像CV充电器一样,当充电电流逐渐下降到低于电池的0.1C时,充电周期完成。图7给出了一个完整的CC/CV充电电路图。

恒定电流/恒定电压
  虽然CC/CV充电需要复杂得多的电路来实现,但由于其大大降低了充电时间,因此各种CC/CV充电方法在锂离子电池充电中占主导地位。
  到目前为止,我们一直假定我们使用的电池是良好的电池。实际上并不总是这种情况。被充电的电池可能是有缺陷的,并且可能无法充电。而试图对有缺陷的电池进行快速充电可能引起危险情况。理想的充电器必须能够监测各种可能的电池故障模式并进行适当的充电。我们为了简化的原因而特意忽略的另一个因素是电池温度。在其温度超出特定温度范围的情况下,对锂离子电池进行充电是不安全的。到目前为止,充电器所必须做的就是保持对电压调节的跟踪(或者在CV/CC充电器的情况下,保持对电流和电压的跟踪)。不过如上所述,伴随更高充电器效率和更长电池寿命的是潜在的安全问题,这就需要更智能的充电操作。

完整的CC/CV充电电路图
  (图中:low-volt threshold-低压阈值;Wake
 
up mode-唤醒模式;Constant-current mode-恒定电流模式;constant-voltage mode-恒定电压模式)
  为了防止意外地将电池置于不利的条件下,各种锂离子电池组都包含某些复杂的电路。一般情况下,保护包括使电池免遭过度放电、过度充电、过高的充电及放电电流以及高电压。
  在电池充电或放电周期内,如果任何参数超过了对于特定电池的限制,电池与电池端子之间的连接将会开路保护。典型情况下,当不利的条件被清除或电池被预置条件时,在延迟一段时间后,装置将被复位。
  除了电子保护措施之外,电池还包含一个机械的二级过流保护装置。在电池组和电池端子之间串联地安装了一个聚合正向温度系数(PPTC)过电流保护装置。
  PPTC装置通过响应过电流而从低阻状态转变为高阻状态来保护电路。这种变化是装置温度急剧升高的结果,温度升高是由于装置中根据公式I2R产生的热量引起的。
  一个好的充电器设计必须能够安全而高效地确定锂离子电池对于快速充电的适宜性。下面是一些可用于支持便携式应用的充电器的例子。
  独立充电器(LP3946)
  LP3946是一种独立的单电池锂离子充电器,具有一个集成的传输晶体管和电流感应电阻器。除了其充电功能之外,它还可以用于低压降(LDO)模式。这种功能在制造期间特别有用,因为它无须在产品测试和性能验证时插入电池。

LP3946典型电路

CC/CV充电周期
  (图中:Prequalification …--从条件预审到快速充电的转换;CC to CV transition-CC 到 CV 转换;battery voltage-电池电压;battery current-电池电流;charge current-充电电流;end of charge current …--充电结束电流 0.1C(默认);Time-时间)
  LP3946的工作可以利用图11中所示的流程图很好地说明。
  充电周期从插入墙面适配器开始。验证输入电压,若其在允许范围内,充电器将启动电池条件检验过程。在这个阶段,一个电流源在电池端子上施加50 mA电流并同时监视电压。如果电池两端的电压高于3.0 V,说明电池情况良好,则通过施加一个恒定电流开始恒定电流周期。电流幅度是电池容量的函数,并且依照电池制造商的推荐。典型的充电电流为1C,不过某些电池要求较低的充电电流。
  可以在差分放大器(Diff-Amp)输出得到充电电流的模拟表示。差分放大器输出也表示了LDO工作模式下的电流。为了防止单电源系统在临近接地工作时的精度误差,差分放大器的输出偏移了0.5V。

充电电流感应电路
  为了方便使用并减少外部元件数量,对LP3946的快速充电电流进行了厂内设定来满足客户要求。恒定电流源也可以在厂内以50 mA的步幅设置为从500 mA到950 mA的任意值。其它可厂内预设置的参数包括端接电压4.1或4.2V以及充电结束电流0.1C、0.15C或0.2C。
  在恒定电流周期内,对电池电压进行精密监视以避免过度充电。正如早先所描述的,超过电池端接电压会逐渐缩短电池寿命,并且其影响是累积性的。由于电池ESR两端的压降,在CC充电期间,在电池端子呈现的电压并非电池电压的准确指示。通过在达到端接电压时终止CC周期,ESR上的压降提供了一个保证余量,使得电池不会遭受过高的电压。
  在CC周期内,电池被充电到其容量的大约80-85 %。在CC周期完成后,恒定电压周期启动。在这个周期内,电池在I Charge =  (VBatt - Vcell)/ ESR下进行充电。随着电池被充电,Vcell升高而充电电流降低。作为充电电流下降的结果
,由ESR引起的误差逐渐减小,而电池端子上呈现的电压更为准确地表示了实际电池电压。
  当电流下降到低于预先设置的充电结束(EOC)等级时,充电就终止了。通常推荐的EOC电流等级为0.1C、0.15C和0.2C。

流程框图
  一旦检测到EOC,充电周期就完成了。在这个时候,充电器电路被关闭,而维持周期被启动。在维持周期内,监视电池电压,并且当电池电压下降到低于3.9V时启动充电周期(假定检测到适配器OK信号)。
  对于电池被消耗到低于3.0 V的情况,快速充电被条件预审周期取代。这主要是出于安全原因,并且防止设计者快速充电可能有缺陷的电池。在正常操作下,如果电池电压被消耗到这种级别,内部保护电路就会被激活,断开电池端子与电池组端子之间的连接。如果电池没有永久损坏,那么施加低强度电流就可以逐渐地升高电池电压并复位内部保护电路。作为一个备用保护装置,一个定时计数器保持对总充电时间的跟踪。在CC或CV周期内经过5.6小时之后电池仍未达到端接电压的情况下,充电就被终止。
  作为对充电周期的形象表现,用CHG信号打开一个红色LED来表示一个充电周期开始。EOC信号通过打开一个绿色LED来表示充电完成。只要
 
交流电墙面适配器插在电源上,在维持周期内绿色LED就会保持开启。如果检测到故障条件,红色和绿色LED就会同时开启。
  BIPB输入引脚是一个多功能引脚。其主要功能是允许LP3946在没有电池时作为LDO工作。LP3946在LDO模式下的输出设置为4.1V。在有电池时,还可以通过电池ID电阻器把BIPB引脚拉到地,把它用做代替检测功能的电池。
  LP3946是一个独立充电器的例子,便于使用并包含最少数目的外部元件。充电周期内的用户干预实际上被消除了。不过,一些应用要求与充电器进行更多的交互。进行交互的主要原因是调整充电参数,以便使其与被充电的电池类型一致。这种情况的一个例子就是标准电池与重型电池或者具有较高容量的电池相互交换。可以采用为低容量电池充电设置的参数来为高容量电池充电,不过就是需要很长的充电时间。而对于相反的情况,出于安全原因不推荐使用。
  LP3945--具有可设定参数的充电器
  LP3945应用电路如图12所示。同样,为了缩小所需的PCB空间,外部元件的数目控制到最少。与该器件的通信通过I2C接口建立。
  缺省的出厂设置为500 mA CC电流、4.1V端接电压和0.1mA EOC电流。这些缺省值在加电期间使用,但是用户可以把它们设定为不同的值。CC的可用电流范围为500 mA到950mA,步幅为50 mA。端接电压选项为4.1 V和4.2V,而EOC选项为0.1C、0.15C和0.2C。只要电池连接维持在Vbatt引脚,并且电池电压高于2.85 V,新设定的值就会在启动时被用做缺省值。如果电池断开或者如果其电压下降到低于2.85V,出厂缺省值就会被用于后续充电周期。充电器的操作在图13所示的流程图中说明。

LP3945应用电路
  除了能够改变电池的工作参数之外,可以通过I2C接口读回EOC和CHG寄存器状态来检查充电周期的状况。

充电器的操作
  LP3945的特性在具有m控制器的应用中被充分利用。
  除了充电器、控制器或处理器以及其它功能之外,这些系统的确需要额外的电路来控制传送到这些功能模块中的电力。
  下面的章节中描述了一个集成了其它电源管理功能的充电器例子。
  结论
  为了给种类快速增长的便携式产品供电,正在开发具有更宽工作温度范围、更高能量密度和更长保存寿命的电池。随着我们对电池特性理解的提高,电池充电技术正在持续发展。此外,新的应用引导着新方法的发展,并创造新的需求。例如,能够通过PC的USB接口给电池充电。此处,USB协议要求任何连接到这种端口的设备最初必须以低功率模式操作,即最大电流 (current draw) 低于100 mA。充电必须从100 mA电流开始,并且充电器输入仅为4.5V。一旦主机与设备的通信建立起来,主机允许高功率操作。这要求某种程度的智能,而这种等级的智能必须在充电器或者使用充电器的系统中的某处来提供。新电池的开发也要求对充电特性进行改进。



关键词: 便携式 充电 电源

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