提高便携式设备锂离子电池的充电效率

　　功能整合以及不断缩小的外形尺寸在过去几年风靡一时，进而带动手机、PDA、以及便携式 DVD 播放器等便携式设备的市场需求大幅增长。然而电源却很快成为技术进步的瓶颈，电池供电密度的提升脚步也无法跟上需求的节拍。锂离子 (Li-ION) 电池无论就重量还是体积而言都有很高的能量密度，因此在市场上应用极为广泛。为了延长系统运行时间并缩小外形尺寸，越来越多的系统设计人员发现利用先进的电路拓扑结构来提高系统功率转换效率的做法已无法解决问题，电池充电已成为扩大电池容量和延长电池使用寿命的另一重要方案。线性充电器的成本合理、外形尺寸小巧，非常适用于低容量电池充电的应用；但随着便携式设备对功耗要求的不断提高，由于线性电池充电器功耗较高，因此已不能充分满足充电需求。本文将介绍一款 MHz 同步开关电池充电器，并说明有效充电并延长电池使用寿命的设计考虑事项。

　　锂离子电池的充电

　　图 1 是业界最常用的锂离子电池的充电曲线，大部分专用的锂离子电池充电集成电路 (IC) 都是通过上述方式进行充电。锂离子电池的充电过程可分为三个阶段：预充电、恒流 (CC) 快速充电、和恒压 (CV) 终端 (termination) 充电。充电器在预充电阶段会以低速率（通常为快速充电速率的1/10）对电池进行充电，这时的电池电压低于 3.0V。这样可以实现对钝化层的恢复（钝化层在深度放电状态下存储时间过长会分解）。除此之外，当电池过度放电时在阳极短路的电池上会发生部分铜分解，此时若以 1C 电流进行充电就会导致电池过热，预充电阶段则能避免这种现象的发生。等到电池电压达到 3.0V 后，充电器就会进入恒流快速充电阶段。

　　快速充电电流不应超过 1C 速率（0.7℃ 速率）以避免电池过热及因而造成的加速劣化现象。不过，为高功率容量设计的电池则可承受较高的充电速率。应当合理选择充电速率，以保证电池温度在充电结束时不超过 50℃。在进入快速充电阶段后，电池会持续快速充电直到电池达到稳压限制值（每节电池通常为 4.2V，不过碳阳极锂离子电池为 4.1V）。然后，在充电电流以指数方式降低到预定义终端电平时，电池充电器开始调节电池电压并且进入 CV 阶段。输出稳压精度对于电池容量最大化和延长电池使用寿命都很重要。电池稳压精度太差有可能会导致电池充电不足，使得电池容量锐减。例如充电电压不足 1% 电压就会导致电池容量减少 8%。另一方面，电池稳压精度太差也可能导致电池过度充电从而缩短电池使用寿命。为了确保锂离子电池的充电安全，开始充电时的环境温度必须在 0℃ 到 45℃ 之间。在更低温度下进行充电会形成更多金属锂，这会导致电池阻抗增加与电池劣化。另一方面，在较高温度下进行充电则会增加锂离子与电解液的反应而加速电池劣化。这些问题促使市场需要更精确、更高效、和更安全的便携式设备电池充电解决方案。