便攜式設(shè)備的充電系統(tǒng)在設(shè)計中并不總是優(yōu)先考慮，但它可以在系統(tǒng)的電池壽命中發(fā)揮重要作用，并且經(jīng)過適當(dāng)優(yōu)化，可以允許使用比其他方式更小的電池組。不僅需要緊湊型電池管理控制器，還需要在戰(zhàn)術(shù)上部署智能，以正確優(yōu)化電力系統(tǒng)。本文將著眼于鋰離子化學(xué)在充電方面的需求，以及可用于最大化能量輸送和存儲的技術(shù)，并總結(jié)可用于該目的的關(guān)鍵解決方案。

　　與鎳鎘等較舊的技術(shù)相比，鋰離子 （Li-ion） 電池的化學(xué)成分大大提高了便攜式設(shè)備的功率密度，并因此提高了這些系統(tǒng)一次充電的正常運(yùn)行時間。鋰離子電池的自放電率是鎳鎘和鎳金屬氫化物化學(xué)物質(zhì)的一半，這也有助于延長保質(zhì)期，允許設(shè)備在運(yùn)輸時帶電，這樣客戶在使用前不必插上電源。

　　與早期化學(xué)物質(zhì)相比，鋰離子電池的缺點(diǎn)是充電比舊技術(shù)更復(fù)雜。但是，可以采用謹(jǐn)慎的管理來最大限度地提高鋰離子電池的功率輸出，不僅可以為用戶提供更好的體驗(yàn)，還可以縮小設(shè)計規(guī)模以使用更小的電池。由于電池在可穿戴設(shè)備的尺寸和重量中占很大比例，因此通過將一個充電電路替換為另一個充電電路可以節(jié)省大量成本。

　　鋰離子電池的關(guān)鍵問題是它們對過度充電非常敏感，因?yàn)檫^高的電壓會引入材料應(yīng)力，從而縮短電池的使用壽命。如果每個電池的電壓超過 4.2 V，它們也會帶來安全風(fēng)險。

　　低成本充電電路通過不將電池充電至實(shí)際極限來避免過度充電問題。他們采用所謂的“充電和運(yùn)行”策略，其好處是看起來很快。該策略利用了鋰離子充電曲線的特性，可分為四個關(guān)鍵階段。第一級對電池使用恒流電源。隨著電池充電，其電壓或多或少呈線性增加。電壓在峰值附近趨于平緩，此時充電器可以停止。但是，此時僅會收取大約 85% 的電量，從而導(dǎo)致使用時間比理論上可能的時間要短。

　　此外，出于安全原因，截止電壓通常設(shè)置為顯著低于最大電壓，這進(jìn)一步降低了施加到電池的最大充電量。3.8 V 的截止電壓而不是典型的最大值 4.2 V 導(dǎo)致只有 60% 的電池容量可用。剩余的充電在飽和或恒壓階段進(jìn)行。雖然快速充電器可以通過增加充電電流來減少達(dá)到飽和階段所需的時間，但這會延長飽和階段，需要仔細(xì)和精確地管理以避免過壓。

　　圖 1：鋰離子電池的充電階段，包括高溫條件下的熱調(diào)節(jié)階段。

　　很難檢測電池何時充滿電，因此使用時間或電流水平作為代理來指示電池接近充滿的程度。一般來說，飽和充電大約需要兩個小時，提供一個合理的設(shè)定時間。在飽和充電期間，電流呈指數(shù)下降。當(dāng)此電流達(dá)到第一階段使用水平的大約 3% 時，通常認(rèn)為電池已充滿電，該過程可以停止。飽和充電期間使用的電壓需要調(diào)節(jié)到百分之一或更好。執(zhí)行飽和充電的電路可以同時使用電流感應(yīng)和定時器來管理該過程，以確保如果傳感器發(fā)生故障，一段時間后電源將被切斷，并防止可能導(dǎo)致火災(zāi)的金屬鋰堆積。

　　溫度也在控制充電方面發(fā)揮作用。在第一階段，內(nèi)阻相對較低，電池不會明顯升溫。一旦進(jìn)入飽和階段，電池會變得更熱。因此，溫度傳感器對于確保電池不會過熱和安全風(fēng)險非常重要。電池制造商將為其產(chǎn)品指定安全溫度限制，并經(jīng)常在電池組內(nèi)提供熱敏電阻，可與充電器電路內(nèi)的 ADC 或比較器電路一起使用。

　　對于深度耗盡的電池，在第一階段之前需要一個充電過程。這使用涓流充電來恢復(fù)耗盡電池的電荷 - 因?yàn)樗鼈兊碾妷簩⒌陀?3 V 而被檢測到。一旦通過涓流過程提供了足夠的電荷，電壓將升至 3 V 以上，并且是正常的第一階段充電過程可以接管。

　　凌力爾特公司的LTC4065充電器 IC采用小尺寸 DFN 封裝，提供了如何組織反饋回路以支持鋰離子電池所需的各種充電模式的示例。該器件支持恒流和恒壓充電方案，以及一種恒溫充電方案，以允許在接近電池?zé)針O限的情況下進(jìn)行有效充電。為了支持高溫充電，LTC4065 具有一個熱限制電路。這允許根據(jù)給定應(yīng)用的典型而非最壞情況下的環(huán)境溫度設(shè)置充電電流，并確保充電器在最壞情況下會自動降低電流。

　　在 LTC4065 中，三個放大器反饋環(huán)路控制恒定電流、恒定電壓和恒定溫度模式。第四個放大器反饋回路用于增加電流源對的輸出阻抗，以確保其中一個的漏極電流恰好是第二個的漏極電流的一千倍。用于恒流和恒壓操作的獨(dú)立反饋回路會根據(jù)試圖最大程度降低充電電流的模式強(qiáng)制充電器進(jìn)入這兩種模式中的任何一種。另一個放大器的輸出飽和低，這有效地將其環(huán)路從系統(tǒng)中移除。在恒流模式下，它驅(qū)動充電電流編程 （PROG） 引腳輸出的電壓精確到 1 V。PROG 引腳通過使用 1% 容差電阻器 （R編）。當(dāng)支持恒壓模式時，恒壓環(huán)路將其反相輸入驅(qū)動到內(nèi)部參考電壓。內(nèi)部電阻分壓器確保電池電壓保持在 4.2 V。PROG 引腳電壓還指示恒壓模式下的充電電流。

　　在典型操作中，充電周期以恒流模式開始——輸送到電池的電流等于 1000 V/R prog。如果 LTC4065 的功率耗散導(dǎo)致結(jié)溫接近 115°C，那么溫度限制放大器將開始降低充電電流以將管芯溫度限制在大約 115°C。一旦脫離溫度限制模式，LTC4065 要么返回到恒定電流模式，要么從恒定溫度模式進(jìn)入恒定電壓模式。無論何種模式，PROG 引腳上的電壓都與輸送到電池的電流成正比。

　　內(nèi)部定時器電路和涓流充電管理完善了有效鋰離子電池管理所需的功能。該器件提供 ±0.6% 的浮動電壓精度，并且只需要兩個外部元件。當(dāng)輸入電源被移除時，LTC4065 自動進(jìn)入低電流狀態(tài)，從而將電池漏電流降至 1μA 以下。在施加電源的情況下，LTC4065 可以進(jìn)入停機(jī)模式，從而將電源電流降至 20μA 以下。

　　圖 2：LTC4065 的充電狀態(tài)和決策流程圖。

　　與 LTC4065 類似，Maxim Integrated 的 MAX1551還具有片上熱限制功能，以實(shí)現(xiàn)最佳充電，而不受最壞情況下電池和輸入電壓施加的熱限制。當(dāng)達(dá)到熱限值時，MAX1551 和 MAX1555 不會完全停止充電，而是逐漸降低充電電流，有助于在系統(tǒng)冷卻時保持功能。

　　采用 SOT23 封裝，類似于 MAX1551 和 MAX1555，由Microchip Technology開發(fā)的MCP73811提供恒壓和恒流充電，后者僅通過外部電阻進(jìn)行編程，同時內(nèi)置熱傳感器來控制溫度-限制充電。

　　德州儀器（TI）的bq2409x系列器件是高度集成的線性充電器器件，面向空間有限的便攜式應(yīng)用。這些 IC 設(shè)計用于可能未調(diào)節(jié)的 USB 端口電源或 AC 適配器，具有高輸入電壓范圍和輸入過壓保護(hù)功能。bq2904x 執(zhí)行調(diào)節(jié)、恒流和恒壓充電。在所有充電階段，內(nèi)部控制回路監(jiān)控 IC 結(jié)溫，并在超過內(nèi)部溫度閾值時降低充電電流。

　　盡管鋰離子電池需要結(jié)合充電技術(shù)以充分利用其更高的容量，但直接 IC 支持使構(gòu)建便攜式和可穿戴系統(tǒng)變得更加容易，這些系統(tǒng)可以確保完全充電提供最長的正常運(yùn)行時間，并允許電池尺寸要減小到重量和壽命之間的最佳折衷。