充电技术:停不下“充电”的步伐

　　电源保护与电源监控

　　由于充电电池需要反复使用，而且在充电过程中尽管是直流充电，依然会存在一定的瞬态电流，所以充电系统在设计中必须进行一定的电源保护设计，以确保对电池的损伤能降到最低。

　　郭涛强调，具体到实际应用，单只锂离子电池的充电电压最好保持在4.1V，通过充放电管理芯片，充电电流通常限制在1C以下，否则会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电系统通常采用恒流/恒压充电模式，即先采用恒定电流充电，电池电压不断上升，当上升到门限电压时充电器应立即转入恒压方式(4.1V+50mV)，充电电流逐渐减小，当电池充足电时，电流降到涓流充电电流。在电池充电过程中，长时间过充对电池造成的损伤是最为严重的事件，极度情况下会引起电池爆炸着火，伤及人身。为了避免此类事故，电源部分通常采用限压技术或元件，防止过高电压电源的误输入造成充放电管理系统电路的损坏;同时，在电池电极附近安装聚合物型可恢复正温度保护器件，在充放电管理系统失效时，起到二次保护作用，防止过充造成电池的毁坏。

　　除了在充电过程中加入相应电路保护功能，充电过程中还需要通过对电池的电压及温度的监测，针对电池的不同状态，设计合理的充电曲线，来调整不同状态下的充电电流来降低对电池的损伤。特别是对便携产品的锂离子电池充电，如果不进行电池监控，散热失控(一种电池进入失控反应的状态)会导致电池的温度快速升高，最终产生爆炸等严重后果，在某些低高温范围内应避免使用高充电电流和高充电电压的重要性。目前智能电池组包括了一个电量计、模拟前端和二级保护电路，常常用于笔记本电脑应用中。电量计通过 SMBus 向系统提供电池的电池电压、充电和放电电流、电池温度、剩余电量以及可运行时间信息，旨在优化系统性能。在各类电源监控电路部分，郭涛认为，可使用TE电路保护部的聚合物型自恢复保护器或者一次型保险丝，防止由于各类操作和组装失误造成的电源短路故障。

　　电源监控同样也是提升充电效率的一个重要手段，能够将充电信息传递给控制部分，优化充电过程。充电系统中需要监控的参数主要包括充电电流，充电电压，充电器的温度，电池的温度等信息，而这些参数主要是通过ADC检测节点电压的方式来实现的，如监控充电电流这一项，由于在大功率应用中，为了达到较高的检测精度，一般使用精密电阻来进行检测，但是为了不影响充电效率，电阻的取值一般都非常小，所以需要对检测信号进行放大，而这时候电流放大器就特性就会非常重要。

　　软件的作用

　　软件在充电系统中扮演了非常重要的角色，对硬件电路起到了不可忽视的补充作用，使得充电系统的可控性和可移植性变得更强。例如通过软件算法对充电系统和电池进行监控，可以极大地减少充电解决方案的硬件体积和成本，增强充电系统的可靠性。李林表示，Intersil公司为自己的每一款充电芯片都提供必要的软件支持，通过提供图形化的软件评估界面和相应的驱动程序，以便系统厂商可以方便快速地进行产品设计，从而缩短系统厂商的开发周期，加快产品上市进程。软件具有更改灵活、便于扩展，整体费用低等优点。随着嵌入式软件的发展，软体在充电系统中的分量将越来越重。郭涛介绍，TE电路保护部提供业内先进的电路保护器件和完善的保护方案，作为一个被动元件商，现在还没有进入相关的软件领域。

　　新兴应用

　　电动汽车是最近一个非常热门的应用，而普及电动汽车的诸多技术因素中，充电系统现在是制约其快速发展的重要瓶颈。电动汽车充电系统不仅要求效率和充电时间，更要求在安全和易用性上取得突破。这其中比较突出的要求包括，通用性的充电接口与通用电量检测软件。

　　大功率电池供电设备不同于单节电池供电系统。由于需要使用多节电池进行各种串并联，以实现所需的电池功率，使得整个供电单元成为一个复杂的电池组。在这个电池组中任何一节电池芯出现问题，都会导致整个电池组包失效并危害到使用者。如何保证电池组中每一节电池的安全，如何用最经济的方式实现对每一节电池的监控，如何保证在复杂的电池系统装配过程中不因各类疏忽或差错引起无法控制的危害，这些都是与传统单节电池充电系统的不同和需要考虑的关键技术。

　　同时，这类产品由于其应用的特殊性，对可靠性要求比较严格，因此对相应的半导体器件也提出了新的挑战。李林自信地表示，Intersil在这类产品上有单独的技术团队，根据自身的优势，为这类应用提供高可靠性的解决方案。针对于当下发展最活跃的锂电池电动车市场，Intersil推出了多个高性能的产品系列和解决方案，如多节电池均衡保护模拟前端产品ISL78600，在提供业界最快的循环电池电压扫描功能的同时，耗电量低到只有几十微安, 并且提供业界最灵活的内部寄存器设置帮助客户实现不同的电池保护算法要求。 再如更具灵活性的基于ISL6754的高效率非对称全桥ZVS电压转换拓扑结构，这种新的架构在不增加硬件投入成本的前提下帮助客户将大功率充电系统的效率提升了一个等级，为节能环保型充电器的入市奠定了坚实的基础。

　　除了电动车充电外，无线充电则是消费电子领域的热门应用，这方面请参考本刊2012年6月相关文章。而另一个值得关注的是太阳能与光伏发电后的充电系统，这个系统的最大不同是直流发电后储存电能，然后经过DC-AC转换后如何并入电网，这其中最关键的是效率、持续性与兼容性。