安全快速的便携式设备间充电(一)

当前消费者，尤其是商业旅行者面对的一个重要问题是，找到一个通用实际的技术来对各种便携式设备进行充电，如手机、无线耳机、MP3播放器等。当前最大的麻烦在于需要携带各种各样的(交流/直流)墙上适配器，由此还要找到墙上的插座从而获取充电电源。解决这些问题，需要一个安全的充电方法，以此使得便携式设备可以高储能、低功耗。一些行业倡议者们对设备及墙上适配器之间的物理接口进行全球标准化的趋势表示了支持，从而允许灵活通用的充电。

通用电池充电指标

首先，我们需要确定充电锂电池的学术术语。电池组包含了电池、保护电路(即提供过电压、欠压、过电流等方面的保护)以及连接端口，所有的这些都密封在电池组内。主要的电池参数之一为电池组电压，是指在电池的包装上的电压，不同于电池电压或者开路电压，电池组电压由一些等效的串联电阻(ESR)分来，这些ESR是各种化学和机械因素的综合效应。

最传统也是当前应用广泛的对锂离子电池及锂聚合物电池充电的方法是恒流/恒压(CC-CV)技术。这里，我们主要谈采用恒流充电，通常使用1C(对应为1000mA-h电池)，其中1C表示1amp的充电电流，直到电池组电压达到其浮动电压(4.2伏，上下浮动1%)。一旦达到浮动电压，我们采用恒压(CV)技术，即电压固定在浮动电压上，电流逐渐变小，直到所谓的终止电流量级。

系统设计考虑-充电时间

充电电流减小的速度是成指数形式的，因此，当设置的终止电流过低时，会出现收益递减现象(如图1)。另外，较长的充电时间使得更多的电荷进入电池，从而增加了电池可用容量的比例增加，而让电池充满电所需的时间会变得格外的长。例如，一个150mA-h的电池，如果我们设置终止电流为75mA时，该电池的感知充电时间将会大大缩短，但电池充电的程度仅为全部容量的85%。而如果我们设置的终止电流为50mA时，电池可能充电到90%，但充电时间会显著增加。如果设置的终止电流更小的话，时间更长。

图1

在恒电流充电状态过程中的另一个问题为，需要较高的充电电流来减少充电时间，这会使得线形电池充电变得不切实际的发烫。考虑一个例子，在一个应用中，我们使用手机设备一直到系统关机，这将会使电池放电到3.3伏，这时充电周期开始。如果电池额定为1000mA-h，并且我们假设5伏的输入电流可以获得1C的充电量，则使用线形电池充电器的电量消耗为(公式1)：

P_Diss,Linear = I_BQ (V_in - V_batt)

其中IBQ 是电池充电电流。这种情况下，需要1.7瓦特的消耗，代表了整体充电效率为66%。显然，当需要500mA以上充电电流时，线形充电器不是一个很实际的解决方案。而对于一些其他应用，除了在受热考虑外，降压开关(buck switchmode)充电拓扑结构还在很多方面都较为理想。从受热角度看，降压开关充电拓扑结构是当前最好的，因为不需要通过驱散受热带来的额外能量来调整输出，只有当输出需要时才通过提供能量来调整，并使用了能量储存设备来辅助。在上面提到的例子中，假设降压开关调节器的效率为90%，在该降压开关调节器的功耗为(公式2)：

公式2

或者仅360mW。

降压开关充电拓扑结构的另一个好处体现在使用电流受限的电源，如USB端口。降压开关充电拓扑结构可以最大化USB端口以及任何其它采用电流倍增概念(Summit公司的TurboCharge技术)的电流受限源的效率。通过保持输入电流恒定，并使用下列公式3，我们可以计算出在给定的效率及电池电压下，降压开关调整器可以产生的电池充电电流。

公式3

因此，为了使500mA输入电流的最大化，在充电器输入电压为5伏，执行效率为90%，电池电压为3.3伏的情况下，电池的充电电流将高达681mA。

安全快速的便携式设备间充电(二)