在为系统供电的同时尽可能缩短电池充电时间

摘要： 在最大化电池容量以及最小化电池充电时间方面，锂离子电池充电和系统控制架构已成为当前的重点技术领域。本文首先将探讨锂离子电池的充电系统以及在充电电压、电池容量以及电池使用寿命 (battery cycle life) 之间，或者在充电电流、充电时间与电池使用寿命之间的权衡。

关键词： 动态电源路径管理系统供电；锂离子电池

我们将讨论系统和充电器互动，如电池充电定时器错误终止等，此外还将介绍一种动态的电源路径管理 (DPPM) 技术。DPPM 电池充电器可为系统和充电器提供独立的电源路径，充分利用适配器提供的电源最大限度地缩短电流充电时间。此外，该技术还能避免系统崩溃，并能够在为系统供电的同时还向经过深度放电的电池充电。

正确为锂离子电池充电

图 1 显示了使用广泛的锂离子电池的充电曲线图。大多数专用锂离子电池充电集成电路 (IC) 都会以这种方式为电池充电。锂离子电池的充电由三个阶段组成：预充阶段、快充恒流阶段 (CC) 以及恒压终止阶段 (CV)。在预充电阶段，以低速率(通常为快充速率的 1/10)对电池充电，这时的电池电压低于 3.0 V。这有助于恢复电池的钝化层，钝化层在深度放电状态下存储时间过长会溶解。另外，还可以在过充时，阳极短路的电池出现部分铜分解的情况下防止以 1C 充电(1C是指一小时内可使电池完全放电的放电电流)发生过热。所具备的预充电安全定时器能够避免长时间给充不进电的电池 (dead battery) 充电。若电池电压达到典型的 3.0V，这时充电器进入 CC 阶段。快充电流通常限制在 0.5C 至 1C，可避免过热进而加速电池老化。选择充电速率时，应保证电池的温度不超过 450C。电池在达到规定电压限度(对 LiCoO2 阴极而言通常为每节电池 4.2 V，对 Li-Ni-Mn-Co 化合物以及 LiCoO2 阴极结合型电池而言通常为4.4V)前一直以快速充电速度充电。充电电流以指数级降至预定义终止水平时，充电器开始调节电池电压并进入 CV 充电终止阶段。为避免给充不进电的电池过长时间充电，我们通常需要采用快充安全定时器。到达安全时间后，电池充电器必须停止工作，即便此时电池尚未达到终止电流也应如此。

电池容量是电池电压的函数。图 2 显示了具有 LiCoO2 阴极材料的锂离子电池在不同电池充电电压情况下的使用寿命[1]。通常，电池电压越高，电池的容量就越大。但是，电池电压越大，电池的使用寿命就会越短。电池的阴极材料在较高电压情况下与电解液的反应会加快，并且钴材料在化学反应过程中将永久消失。因此，可用的能量存储材料会越来越少，从而造成电池化学容量的损耗。尽管其一开始能获得约 10% 的更多存储容量，但如果充电电压为 4.3V，那么电池工作寿命会减半。另一方面，如果电池充电不足，那么其容量就会降低。如果电池充电时的电压低于 40mV，那么就会损失约 8% 的总容量。因此，电池充电电压的准确度致关重要。

电池充电时间是另一重要因素。在恒流充电阶段，电池充到 70% 的总容量时通常需要约 30% 的充电时间，而在恒压阶段用 70% 的充电时间仅能充 30% 的总电池电量。这是由于电池具有内部电阻。电池内部电阻越低，电池充电时间就越短。提高电池充电电流速率并非缩短电池充电时间的有效方法，其能缩短恒流阶段的充电时间，却会延长恒压阶段的充电时间。因此，这很难缩短总充电时间。而且，如果电池充电速度快于 1C，就会影响电池的使用时间。图 3 显示了带 LiCoO2阴极材料的锂离子电池使用寿命与电池充电速率之间的关系。电池充电速率越高，电池寿命就越短。这是因为，如果充电速率快于 1C，那么额外可用的锂离子就会变为阳极的金属锂。金属锂是一种非常活跃的金属，很容易同电解液发生反应，从而导致永久性的锂损失。因此，我们建议电池充电速度不应高于 1C。

电池充电器与系统互动

图 4 显示了最常用的电池充电与系统电源架构，这种系统是与电池直接连接的。充电器的输出首先给电池充电。此外，电池充电输出还给系统提供电源，这有助于简化架构，进而降低成本。不过，将系统负载连接到电池也会导致各种问题，如造成更长的电池充电时间，终止充电，以及错误的安全定时器警报等。

在上述配置情况下，充电器输出电流 ICHG 不仅仅用于电池充电，而是同时供应系统与充电器。ICHG 是充电器可控制的电流，充电器根据电流决定如何充电。因此，充电器不能直接监控有效电池充电电流IBAT。

在预充电阶段，预充电电流通常为快速充电电流的 1/10，这时电池电压低于 3.0V。系统负载 ISYS 会“盗用”上述电流的一部分，有效充电电流会进一步减小。这不仅会延长电池充电时间，而且还有可能导致预充电定时器在电池电压未在预充电定时器时限内升至 3V 电压情况下错误报告时间已到。这时就会产生错误的预充电安全定时器警报，因为这时预充电电流不足的原因并非由电池故障造成的。此外，系统电流甚至有可能大于预充电电流，电池会放电，而不是被充电。为了解决这一问题，系统应为关断模式或低静态电流待机模式，这样预充电电流就能专门用于电池充电，使电池在预充电安全定时器时限内充到 3.0V 以上。同样，一旦电池进入快充阶段，系统负载会继续“盗用”充电输出的一部分充电电流，从而延长电池充电时间，进而也可能造成快速充电安全时间发出错误警报。

动态电源路径管理(DPPM)电池充电器

为了缩短电池充电时间并解决系统与电池充电器的互动问题，电池充电器输出应专用于为电池充电。图 5显示了简化的电源路径管理电池充电器结构图。我们用 MOSFET Q1 对系统总线电压 VOUT 进行预调节，或用作开关，这就建立起从输入到系统的直接路径。将 MOSFET Q2 专用于全面控制电池充电器。这样，电池与系统之间就不会再相互干扰。这种电源架构可为系统电源和电池充电建立两个独立的路径，称为电源路径管理 (PPM)。专用的电池充电路径能够最小化电池充电时间，并可完全消除安全定时器错误终止的问题。此外，其还可以确保系统在为深度放电电池充电期间继续运行，因为不管有没有电池，系统总线电压都会通过 MOSFET Q1 调节为设定值，如 4.4V。诸如智能电话、PDA 以及 MP3 播放机等应用要求不管在有无电池的情况下都应确保用户继续通过外接电源工作，这就需要采用电源路径管理技术。

DPPM 技术可监控系统总线电压 VOUT，防止限流或输入电源移除时造成输入能量损耗。系统与电池充电器所要求的电流高于 AC 适配器或 USB 提供的输入电流时,连接在系统总线中的电容器 Co 开始放电，系统总线电压也会下降。一旦系统总线电压降至预设的 DPPM 阈值，电池充电控制系统将通过降低电池充电电流来调节系统总线电压，这样系统和电池充电器的总电流需求将等于适配器提供的最大电流，从而可避免系统总线电压下降。DPPM 控制机制试图达到一种稳状条件，使系统获得必需的电流，同时又让电池能用剩余电流完成充电。这不仅最大限度地发挥了适配器可用电源的作用，而且还尽可能地缩短了电池充电时间。大多数系统负载的脉动电流都较高，动态变化大。由于系统平均功率大大低于最大峰值功率 (peak maximum power)，因此如果我们以系统和电池充电器的最大峰值功率为基础来确定额定功率的话，就会使适配器的设计大大超标。DPPM 控制技术使用户不仅能够采用较低的额定功率以及较廉价的 AC 适配器，又能确保实现系统供电与电池充电同时进行。

图 6 显示了采用成熟 DPPM 技术的锂离子电池充电器的实例。系统和电池充电器的总电流超过 AC 适配器电流限度或 USB 电流限度时，连接至系统总线的电容器 C0会开始放电，系统总线电压开始下降。当系统总线电压下降到 DPPM 引脚设定的预定阈值时，我们也会降低充电电流，以维持系统总线电压，避免系统因 AC 适配器过载而崩溃。如果即便充电电流降至 0A，也不能维持系统总线电压，那么电池就会暂时放电，并为系统提供电源以避免系统崩溃。

为了确保系统安全工作，DPPM 电压阈值通常低于 OUT 引脚的规定电压。我们需要使 OUT 引脚处系统电压和 DPPM 阈值之间保持足够的电压差，才能适当终止充电。为了最大限度地缩小解决方案的尺寸，我们将功率 MOSFET 集成在电池充电器中。我们用热调节环路 (thermal regulation loop) 来降低充电电流，从而避免硅芯片温度超过 125℃。只要充电电流因处于工作状态的热调节或 DPPM 工作而降低，那么就会自动调节安全定时器以增加定时器的值，从而避免发生异常的错误安全定时终止。此外，我们还禁用充电终止，以避免在 DPPM 或热调节环路处于工作状态时错误地终止充电。

结语

使充电电流高于 1C 并不是缩短电池充电时间的有效方法，这会缩短电池的使用寿命。如果将系统直接连接至电池，那么通常会延长电池的充电时间，因为系统会占用一部分电池充电器输出的电池充电电流，从而减小有效电池充电电流。DPPM 技术使电池充电器的输出能完全用于为电池充电，这不仅会缩短电池充电时间，而且还能为电源输入到系统和电池之间提供彼此独立的电源路径，从而避免充电器和系统之间发生互动。这种技术使我们能在为深度放电的或有故障的电池充电的同时继续保持系统工作。

参考文献：
1.  Soo Seok Choi, Hong S. Lim，LiCoO2 锂离子电池影响使用寿命的因素以及可能的老化机制，《电源学报》2002 年 9 月第 111 期第 130~136 页