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锂电池及其充电电路漫谈

  针对如何精确控制充电电流、充电电压、充电时间和电池在充电期间的温升等问题,市场上出现了不少专用的:集成控制电路,这些集成电路针对不同应用,设计了很多特色各异的功能,但万变不离其宗,其主要功能仍然是对电池进行充电,这些特色功能主要有以下几个方面:

  1.更精确、智能化的充电终止检测方法,自动检测电池是否有故障而不是盲目充电。

  2,智能化的恒流/恒压充电过程管理。根据电池充电的不同阶段灵活调整充电电流的大小,而不再是恒流方式电流就一直恒定不变,恒压方式电压就一直不变。常见的方式是恒流阶段先以涓流方式给电池充电,同时检测电池是否存在故障,如过放电等,然后在精确控制电池温度的前提下逐渐增大充电电流以提高充电速率。

  3.充电过程管理功能。不管何种原因造成充电过程中断,恢复充电时电路会自动开始从断点开始充电,电池充满后自动停止,不用人工干预。

  4.充当系统电源管理中心。不但完成智能化的电池充电功能,还同时给系统提供稳定的电源,电源的供给也能够在电池和外接电源之间自动转换。随着USB接口在便携设备中的普及,USB电源管理功能也逐渐被集成。

  5.电池种类检测功能。各种二次,电池各有特点,充电过程控制也各不相同。原来每种二次电池都有自己的专用充电器,而新型IC则能够自动检测电池类型,选择合适的方式给不同类型的二次电池充电,这就能够适应多种二次电池的充电,这个功能一般针对便携应用的小容量电池,但对常见的镍镉电池、镍氢电池、键电池、二次碱性电池也都能够正确地充电。另有功能简单的充电器,仅检测电池种类,只给正确类型的电池充电,常见的有给碱性电池充电的充电管理集成电路

  专用的充电控制集成电路种类很多,型号也非常繁杂,针对不同应用,相应的电路功能也有差异,下面的分类有助于我们分析认识这些IC的功能。除非特别说明,锂离子电池统指液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。

  1.单一功能的线性充电IC:一般采用单片IC,使用LDO调整输入电源的电压,控制电池的充电过程,与电池充电功能不相关的附加功能基本没有。整体电路结构简单,不同型号可以分别适应镍镉电池、镍氢电池、锂电池等二次电池,无EMI问题,成本低,适应供电电压的范围比较窄,单节电池一般是5.5V左右。整体电路示意图和应用实例参见下图。

  2.多功能线性充电IC:单片IC居多,也有电源调整用的功率器件外置的型号,整体电路结构简单,主要针对主流的锂电池应用,集成LD0和电源控制转换的电子开关,一般可以适应多路输入电源。部分型号加入了USB兼容功能,自动限制USB的输入电流以符合USB总线电源的相关规范。除了基本的充电功能外,至少有一路电源输出对系统供电,无EMI问题,成本低,适应供电电压的范围比较窄,对单节电池的型号一般是4.5V~5.5V。整体电路示意图和应用实例参见下图。

  3.单一功能的开关型充电IC:电源调整电路采用开关电源方式,可以适应很宽的供电电压范围,电源调整电路有采用以电容为储能元件的电荷泵方式的,也有采用以电感为储能元件的升降压和升降压开关电源方式的。作为储能元件的电感电容一般需要外接,一些型号集成了肖特基二极管,功率开关元件(一般是VM0S)集成的居多,一些电流输出比较大的则采用外接VMOS的方式。此类IC的外围整体电路稍显复杂(单片式的除外),可以适应单节或者多节电池,不同型号可以适应不同类型的二次电池,充电电流可以比较大,电源转换效率相对比较高,会产生一定的EMI问题。

  大充电电流的型号一般主要针对主流的锂电池应用,进行高速充电。整体电路和应用实例参见下图。

  4.多功能开关型充电IC:集成电源管理器和高效率的开关电源的主要电路,部分型号内部集成LDO以降低输出纹波,一般可以适应多路电源输入,基本的充电功能与单一功能的开关型充电IC类似,但至少有一路电源输出对系统供电,有EMI问题,适应供电电压的范围比较宽,有单片型的(集成VMOs或者肖特基二极管或者二者都集成),也有控制电路型的(VMOS和肖特基二极管外接),不同型号适应不同类型的电池。整体电路示意图和应用实例参见下图。

  5.复合型充电IC:自动识别电池种类并以正确的充电过程给电池充电。

  单一型号的IC可以适应不同类型的电池,也有的功能相对简单的型号,只具备正确识别电池类型的功能,只给某一种电池类型正确的电池充电,如只给碱性电池充电的充电管理IC。这类IC电路适应范围广,有一定的智能,适合使用多种二次电池的用户。整体电路示意图与实例参见下图。

 

  6.单片机控制型充电管理电路:

  以单片机为电路的控制中心,采用软、硬件结合的方式实现完善的电池充电功能,上述第卜5类IC所能实现的功能这种方式都可以实现。单片机可以使用通用型的型号,如89C5l、89S5l系列,也可以采用近年来一些公司推出的充电管理专用单片机系列,如C68HC908QT2,FS3862.

P89LPC9l6等。这类电路的优点是可以灵活实现各种功能,可以实现功能的软件升级以适应新出现的电池品种,也可以根据客户的需要进行各种功能的定制,缺点是电路复杂,整个电路的占板面积大,成本高,开发周期长,可靠性不如全硬件的电路结构。整体电路示意图与应用实例参见下图。

  7.通用电路控制型充电管理电路采用通用器件实现完善的充电管理功能。这类电路的优点是可以实现多种功能,充电电流在理论上不受限制,也可以根据客户的需要进行各种功能的定制,缺点是电路复杂,整个电路的占板面积大,成本高,开发周期长。电路应用实例参见前面的图4和图5。

  上述说明中所说的“线性”和“开关型”指的是电源调整电路的工作状态,与电池的充电方式无关。

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