具有高精度与灵活性的电池充电解决方案

在科技飞速发展的今天，越来越多的功能被加入到智能手机、PDA及移动网络设备中。例如，MP3播放基本已经成为目前手机的标准功能；未来，手机电视、手机GPS导航等功能也将会出现在普通大众使用的手机中。众多功能的使用对设备中的电池提出了很高的要求，人们必须认真选择电池的种类从而实现最高效的能量存储和利用。此外，在增加这些功能的同时，人们又不希望对设备的便携性造成不利的影响，因此如何使设备小型化、如何在相同的体积中纳入更多的功能，也是便携式产品设计者当前所面临的难题。另一方面，消费类电子最大的特点就是价格会不断下降，如何使自己的产品不仅在功能上，同时在成本方面也能够在激烈的市场竞争中取得一席之地，是产品设计者和IC供应商都需要考虑的问题。

目前市场上正在使用的电池种类繁多、特性各异。普通的碱性电池每节可以提供0.9-1.5V的电压，而可充电的镍氢、镍镉电池可以提供的电压范围为0.9-1.2V。目前在便携式设备当中性能最好、能量密度最高的是锂电池，它所能提供的电压范围是2.7V-4.2V。而燃料电池由于在其工作中只产生无污染的化合物--水，因此是未来理想的清洁能源。

除了不同的电池电压带来的设计问题以外，我们还需要考虑能为电池充电的各种电力来源的不同特性。AC适配器习惯上被称为充电器，但是它的作用并不是直接对电池进行充电，而是提供一个可供充电电路使用的输入电压，通常为5V左右，输出电流的能力根据厂家的不同有所区别。另外一种常见的电力来源是USB口，现在使用笔记本电脑的USB口对便携式设备进行充电已经成为非常普遍的方式，电脑的USB口能够提供5V的电压，而电流最大只有100毫安和500毫安两种，这也是我们设计便携式设备充电器时需要考虑的地方。还有一种电力来源，就是利用汽车内的点烟器进行供电，但需要注意的是一些大型汽车的点烟器能够提供高达24V的电压。面对这些不同特性的电力来源，设计便携式设备时必须进行全方位考量，才能适应各种不同的输入电压。

随着便携式设备的功能愈加丰富，其所带来的设计上的挑战也是空前的。越来越多的处理器和存储器需要精确的供电电压。很多先进的处理器从降低本身的功耗的角度出发，所需工作电压不断降低，因此对电压精度的要求势必越来越高。同时，由于功能的增加，处理器所需要的电流大大增加，这就对供电电路提出了新的要求。电路快速变化引起的暂态响应也是我们在设计过程当中保持数据输出的电压稳定所需要考虑的方面。需要不同电压供电的设备的不断增加也对启动过程中各路电压的监控和时序提出了新的要求，这些都是我们在便携式产品设计中所面临的新的挑战。

锂电池的特性和充电过程

目前我们会使用到的锂电池主要有两种：锂离子电池和锂聚合物电池。锂离子电池的能量密度是镍氢电池的2倍，放电时的负载特性与镍氢电池相同。但锂离子电池单节能够提供3.6V的电压，所以不需多节电池的串联就能够为设备供电。另外，锂离子电池维护方便、没有记忆效应、无需定期维护，并且锂离子电池的自放电是镍氢电池的一半。

锂离子电池的这些特性都使它非常适合应用于便携式产品当中，但同时锂离子电池在使用中也存在一些需要注意的事项：首先，锂离子电池需要保护电路来维持安全的工作范围，充电时电压不可过高也不可将电池电压放的过低；第二，最大的充放电电流限制在1C和2C之间；第三，电池的温度需要监控以避免失控（锂离子电池的工作温度范围在0-50℃之间）；最后，无论使用与否，锂离子都会老化，所以即使在不用的时候也应保持40%的电流以使老化反应最小化，并且应当将锂离子电池存放在阴凉处。

和锂离子电池相比，锂聚合物电池具有以下优点：首先，锂聚合物电池使用固态的聚合物电解质，这使得电池可以非常薄或者被制造成任意形状；其次，电池的封装不需要使用金属，从而可以减轻重量；最后，安全性更高、过充时更稳定并且电解液泄漏的可能性最小。
但是，聚合物电池也存在一些缺点：首先，锂聚合物电池的能量密度和充放电次数都不如锂离子电池；第二，锂聚合物电池的生产成本较高；第三，锂聚合物电池没有标准的尺寸；第四，相同容量的锂聚合物电池会比锂离子电池更贵。

锂离子电池的生产厂商对充电过程有严格的要求(图1)，一个标准的锂离子电池的充电过程包括恒流充电过程和恒压充电过程。首先，由一个恒定的电流对电池进行供电，电池的电压将会逐渐上升，当电池电压上升到锂离子电池的中止电压时，保持中止电压恒定不变，锂离子电池的充电的电流将会慢慢减小，当电流减少到一定程度时我们认为充电就结束了。在某些情况下，当锂离子电池的起始电压过低时，我们还会按照恒定充电电流的比例对电池进行预充电，这个比例一般是10%到20%左右。

Freescale充电IC系列

图2所示为单节锂电池供电便携式设备的典型的应用框图，可以看到所有便携式设备元件的供电(包括LCD背光、白光驱动、存储、相机或者一些RF设备)都是通过对锂电池的电压进行相应的转换而来的，锂电池需要对元件进行充电管理，所以充电IC在便携式产品系统当中是最基本也是最重要的一环。

飞思卡尔的充电器为MC3467X系列产品，飞思卡尔为系统应用提供了两种参考方式：其一为系统内置的充电器，这种充电IC将会与系统位于同一块PCB板上，手机、蓝牙耳机、数码相机以及其它便携式的产品都是采用这种方式；另外一种方式是座充或旅行充电器，这种充电方式将原本放在系统内的电池单独取出，通过相应的座充插在220V或110V的交流电压上进行充电。
需要注意的是，飞思卡尔的充电IC并不是单个产品，而是一个完整的平台。

飞思卡尔的充电管理IC系列名为Litonya平台，图3是Litonya的内部工作框图。Litonya IC系列集成了本身需要外接的MOSFET和反向二极管，因此在电源通路方面不需要连接任何设备。Litonya是一个单输入的充电器，可以接收AC适配器及USB接口所提供的电压，而且在输入端加入了OVP保护功能，从而满足了国家对手持式设备必须采取OVP保护的要求。在电流参考模块中，可以通过外接电阻来设定所允许的最大充电电流。在IC中有一个EOC（End of Charge）参考，锂电池充电器会实时监控IC充电电流，当充电电流减少到EOC所确定的阈值时，逻辑将会发出一个充电完成的信号。此外，Litonya内部还集成了振荡器和定时器。Litonya IC还具有智能的电池检测功能，可以检测电池是否存在以及电池是否完整、良好。Die Temp功能块将充电IC的核心温度控制在一定的范围内，当充电IC核心温度升高到一定温度时，动态降低预先设定的充电电流，以确保核心温度保持不变，当核心温度从原来的温度开始下降时，再将电流恢复到原来的水平。图中右下角的电池温度检测功能块是可选的，因此在虚线框内，通过电池包内含的NTC对电池的温度进行检测，当电池温度超过预先设定工作温度范围时，将IC暂时关掉

图4所示为充电IC的一个完整的充电过程，当电池电压低于2.7V时，IC以20%的涓流对电池进行充电。在此过程中，电池的电压慢慢上升至2.7V。当电池电压上升到2.7V后，充电IC以预先设定的最大充电电流对电池快速进行充电，此时的电池电压也会快速上升至4.2V，这一阶段过后恒流充电过程结束。接下来IC进入恒压模式，电池的端电压保持在4.2V，充电电流随着时间的推移不断减小。当充电电流减小到预设值IEOC时会发出一个指示信号，指示充电器已经结束快速充电模式。但是同时充电过程并没有结束，电池还是会以更小的电流进行充电，只要给电池供电的电压没有移除，电池就会保持复充的状态。如果在某一时刻，当系统需要的电流大于充电器本身所能提供的恒定充电电流时，系统将会从电池上抽取电流，那么电池的电压将会下降，当电池的电压从4.2V下降150毫伏时，充电IC会认为需要重新开始充电过程。那么从充电指示看，CHG信号是指充电IC在充电时有效值低，当它进行重新充电时， CHG会重新指示， FAST引脚的信号在这里表示的是恒流或恒压状态的快速充电，与之相对应的是涓流充电过程，涓流充电时FAST引脚将不会有效。
除了以上所述的单输入充电器以外，飞思卡尔还提供高压双输入充电器，产品编号为MC34676。它提供USB口和AC适配器双路分开的充电接口且两路接口的最高耐压都为28V，它可以通过自动选择输入对电池进行充电。图5所示的是双路输入充电器的功能块，从图中可以看出，其与单路输入充电器的功能块非常接近，区别在于双路输入的充电器集成了两组MOSFET和反向二极管，所以提供了两路电压的输入。

作者：飞思卡尔公司   来源：《世界电子元器件》