多年來(lái)，對(duì)高效、重量輕、快速充電、安全和高性?xún)r(jià)比便攜式電源的需求帶動(dòng)了許多新電池技術(shù)的研發(fā)，包括鎳氫電池 （NiMH）、可充電堿性電池、鋰離子 （Li-ion） 電池和鋰聚合物 （Li-poly） 電池等，而這些僅是其中的幾種。 這些新的電池化學(xué)物質(zhì)通常需要通過(guò)更復(fù)雜的充電和保護(hù)電路來(lái)最大限度地提升性能、確保安全。 令人欣慰的是，工程師們開(kāi)發(fā)出了同樣先進(jìn)的電池充電和保護(hù)用半導(dǎo)體器件。

本文將探討這些新興電池技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及局限性。 同時(shí)，我們還將調(diào)查、報(bào)告由 Maxim Integrated、Linear Technology 和 Texas Instruments 等半導(dǎo)體制造商提供的全新鋰離子電池充電解決方案。

電池技術(shù)

最近幾年來(lái)，在便攜式電子設(shè)備領(lǐng)域涌現(xiàn)出多種全新可充電電池化學(xué)物質(zhì)，它們已能挑戰(zhàn)長(zhǎng)期受歡迎的鎳鎘電池 （NiCd） 技術(shù)，不過(guò)，后者能提供如電動(dòng)工具等應(yīng)用所需的短時(shí)大電流以及令人滿(mǎn)意的低阻抗特性，因此在這些應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)繼續(xù)受到青睞。

然而，如智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等現(xiàn)代便攜式應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員都在尋求比 NiCd 擁有更大容量、更小放電速度的電池。 這些應(yīng)用還要求電池能快速充電、重量輕。 滿(mǎn)足這些要求的電池技術(shù)有鎳氫電池 （NiMH）、鋰離子電池 （Li-ion） 和鋰聚合物電池 （Li-poly）。 盡管 NiMH 電池具有更大的容量和更快的充電速度，但其不足之處是自放電速度較快，是 NiCd 電池的兩倍并且一開(kāi)始就相對(duì)較快（表 1）。

表 1：不同類(lèi)型化學(xué)物質(zhì)的電池關(guān)鍵參數(shù)（感謝 Maxim Integrated 提供數(shù)據(jù)）。

如 Maxim Integrated 的應(yīng)用說(shuō)明 AN676 1 所述，鋰離子電池和鋰聚合物電池?fù)碛斜?NiCd 和 NiMH 電池大得多的容量和低得很的放電速度，因此在便攜式產(chǎn)品中得以廣泛應(yīng)用。 該應(yīng)用說(shuō)明還指出，鋰離子電池的重量也更輕。 因此，鋰離子電池的每單位重量?jī)?nèi)的容量幾乎是 NiMH 電池的兩倍多。

鋰離子電池當(dāng)然也有局限性。 Maxim 指出，鋰離子電池極易受到過(guò)度充電和充電不足的影響。 電壓過(guò)高會(huì)造成永久性損壞，而重復(fù)放電至相當(dāng)?shù)偷碾妷河謺?huì)使容量減小。 所以，為了保護(hù)電池，所用的充電解決方案必須能限制充放電期間的電池電流和電壓。

因此，鋰離子電池組通常配備某種形式的欠壓、過(guò)壓保護(hù)電路以及保險(xiǎn)絲，以防出現(xiàn)過(guò)大電流。 Maxim 的工程師還建議，這類(lèi)電池組還需配備一個(gè)開(kāi)關(guān)，用于在高壓力造成電池組泄壓時(shí)打開(kāi)電池的電路。

而且，與需要通過(guò)電流源充電的 NiCd 和 NiMH 電池不同，鋰離子電池必須采用電壓和電流源組合進(jìn)行充電。 為達(dá)到最大充電狀態(tài)而又不會(huì)損壞電池，大多數(shù)鋰離子電池充電器會(huì)保持 1% 的輸出電壓容差。 通常不建議保持更精確的容差，因?yàn)檫@樣做不僅難度大，還將增大成本。 一般來(lái)講，即使稍稍增大容量也將會(huì)得不償失。

單芯鋰離子電池充電器

對(duì)于手機(jī)和其他類(lèi)似設(shè)備而言，最佳的電池充電方法是采用獨(dú)立的充電座，您可把電池或者設(shè)備放入“鞍式”充電座中。 根據(jù) Maxim 介紹，線(xiàn)性、單芯鋰離子或者鋰聚合物電池充電器適于在充電座中使用。 既然電池組或者充電裝置是獨(dú)立的，那么發(fā)熱就不會(huì)成為問(wèn)題，因?yàn)檫@種熱量不會(huì)在設(shè)備中聚集。 這種情況下，線(xiàn)性調(diào)節(jié)器能降低在其線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)工作的通道晶體管上的壓差（DC 源和電池之間）。 由于充電器被限制在一個(gè)小空間內(nèi)，因此建議利用氣流方式消除功率耗散產(chǎn)生的過(guò)熱情況。

Maxim 的線(xiàn)性單芯鋰離子電池充電器命名為 MAX846A。 該器件擁有精確度為 0.5% 基準(zhǔn)值，能為對(duì)電壓準(zhǔn)確性要求嚴(yán)格的鋰離子電池安全充電。 其中用于控制外部低成本 PNP 晶體管（或 P 溝道 MOSFET）的電壓和電流調(diào)節(jié)回路相互獨(dú)立。 如圖 1 所示，來(lái)自 Fairchild Semiconductor 的外部功率晶體管 FZT749 能將源電壓降低至電池電壓，并且電路中的大部分功率耗散由其產(chǎn)生。 這樣，便形成一個(gè)更加穩(wěn)定的內(nèi)部基準(zhǔn)，從而提供更穩(wěn)定的電池限壓。

圖 1：線(xiàn)性單芯鋰離子電池充電器 MAX846A 驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部功率晶體管 （Q1），該晶體管能把源電壓降低至電池電壓。

在該電路中，R1 和 R3 決定輸出電流。 R1 檢測(cè)充電電流，R3 設(shè)定電流調(diào)節(jié)水平。 ISET 端子的電流輸出值是 CS+ 和 CS- 之間電壓值的 1/1000。 電流穩(wěn)壓器將 ISET 電壓控制在 2 V 水平。因此，電流限值 ［2，000/（R3 *R1）］ 為 1 A。如 Maxim 應(yīng)用說(shuō)明所述，電流和電壓限值的控制回路均具有獨(dú)立的補(bǔ)償點(diǎn)（CCV 和 CCI），簡(jiǎn)化了這些限值的穩(wěn)定過(guò)程。 ISET 和 VSET 端子可用于調(diào)節(jié)電流和電壓限值。

空間受限型應(yīng)用領(lǐng)域的線(xiàn)性充電器供應(yīng)商還包括 Texas Instruments。 TI 的高度集成式 bq24040 系列充電器 IC 專(zhuān)用于為單芯鋰離子電池和鋰聚合物電池充電。 該系列充電器能處理高輸入電壓范圍，可通過(guò) USB 端口或者低成本 AC 適配器工作。 根據(jù) TI 的介紹，bq2400x 系列的充電過(guò)程分為三個(gè)階段：調(diào)節(jié)、恒流和恒壓。 在整個(gè)充電期間，內(nèi)部控制回路監(jiān)視 IC 的結(jié)溫，當(dāng)超過(guò)內(nèi)部溫度閾值時(shí)就會(huì)減小充電電流。

Linear Technology 的獨(dú)立式鋰離子電池充電器 LTM8061 經(jīng)過(guò)優(yōu)化，同樣專(zhuān)用于單芯、兩芯鋰離子和鋰聚合物電池組充電，可提供 4.1 V、4.2 V、8.2 V 或 8.4 V 固定浮充電壓。該器件具有恒流和恒壓充電特性，最大充電電流可達(dá) 2 A。根據(jù) μModule（微模塊）電池充電器的規(guī)格書(shū)，該器件是一個(gè)完整的系統(tǒng)級(jí)封裝 （SiP） 充電解決方案，它在一個(gè)小巧的表面貼裝式 LGA 封裝中集成了 DC/DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補(bǔ)償元件和電感器。 因此，基于 LTM8061 的單芯鋰離子電池充電器采用的外部元件最少（圖 2）。

圖 2：μModule 電池充電器 LTM8061 是一種用于單芯鋰離子電池的完整系統(tǒng)級(jí)封裝 （SiP） 充電解決方案。

Fairchild Semiconductor、Intersil 和 STMicroelectronics 等其他制造商也加入了這場(chǎng)為鋰離子電池和鋰聚合物電池提供高能效充電器集成 IC 的競(jìng)賽。

為兩芯或者多芯電池充電

圖 3 所示為為兩個(gè)串聯(lián)的鋰離子電池充電的類(lèi)似電路。 該電路采用了 Maxim 的 MAX745 器件，這是一個(gè)達(dá)到 90% 能效的開(kāi)關(guān)模式鋰離子電池充電器。 MAX745 在單一芯片上集成了為鋰離子電池充電所需的全部功能，可提供高達(dá) 4 A 的可調(diào)節(jié)充電電流而不會(huì)發(fā)熱，并在電池端子上提供總誤差僅為 ±0.75% 的可調(diào)節(jié)電壓。 該器件采用低成本 1% 電阻器設(shè)定輸出電壓，以及低成本 N 溝道 MOSFET 作為功率開(kāi)關(guān)。 電壓設(shè)定點(diǎn)和充電電流由兩個(gè)回路調(diào)節(jié)，且這兩個(gè)電路協(xié)調(diào)工作，以確保電壓和電流調(diào)節(jié)之間的平穩(wěn)切換。 利用標(biāo)準(zhǔn)的 1% 電阻器將每芯電池電壓的調(diào)節(jié)限值設(shè)定在 4 V 和 4.4 V 之間。

圖 3：MAX745 是一款開(kāi)關(guān)模式充電器，擁有向多個(gè)串聯(lián)鋰離子電池充電所需的全部功能。

Texas Instruments 和 Linear Technology 等供應(yīng)商也提供向兩個(gè)串聯(lián)鋰離子電池充電的集成 IC。

盡管有多種單芯或者多芯鋰離子電池充電方案可以選擇，但在為這些應(yīng)用選擇電池充電器 IC 前，設(shè)計(jì)人員首先必須檢驗(yàn)以下幾方面的要求，如輸入電壓、充電電流、充電方法、保護(hù)能力、USB 兼容性、成本和其他關(guān)鍵特性。