要點(diǎn)

鋰化學(xué)電池芯類型有較好的體積與重量能量密度,，優(yōu)于其它現(xiàn)有的商用可充電電池芯,。設(shè)計(jì)者一般采用專用充電控制IC，實(shí)現(xiàn)單芯電池的充電,。鋰化學(xué)電池芯的充電要求充電器同時控制充電電流和電池電壓,。為減少電流的需求，用于電動汽車,、大型系統(tǒng)備份電源以及其它大功率需求的電池設(shè)計(jì)者采用大串聯(lián)數(shù)量的電池芯堆,。很多微控制器都有內(nèi)置ADC、信號調(diào)整以及PWM控制,，可用于電池充電控制設(shè)計(jì),。

電池充電器的設(shè)計(jì)者要面臨一個基本的選擇：是使用有很多供應(yīng)商能夠提供、有豐富選擇的專用充電控制IC,，還是使用可編程控制器,。由于電池充電控制是一個緩慢的過程，可以用廉價的微控制器及其嵌入ADC,、信號調(diào)整以及PWM模塊,，直接控制充電器的功率轉(zhuǎn)換電路。也可以用一只微控制器做充電器與電池管理系統(tǒng)之間的通信和交互,，如在智能充電器中,；可以將微控制器用于靈活的用戶接口，如充電狀態(tài)顯示器中,；可以將其用于電池調(diào)節(jié)控制,；還可以用于其它靈活特性中。不過與采用專用充電控制IC的充電器相比,，微控制器電路與固件的設(shè)計(jì)與測試通常更昂貴,，產(chǎn)生成本也更高。

充電需求

大多數(shù)最新的電池充電器設(shè)計(jì)是針對鋰化學(xué)電池,。它們包括：鋰離子,、鋰聚合物、磷酸鐵鋰,，以及相關(guān)的電池類型,，比其它商用的可充電電池有更高的體積和重量能量密度。因此它們很適合用于便攜式電源系統(tǒng),，如電動汽車,；便攜計(jì)算與通信設(shè)備(智能手機(jī),、PDA、平板電腦以及筆記本電腦),；軍用計(jì)算機(jī)輔助戰(zhàn)斗系統(tǒng),；以及醫(yī)療參數(shù)監(jiān)控器。鎳化學(xué)電池仍在使用中,，但正在被鋰化學(xué)電池快速取代,。

為鋰化學(xué)電池充電要求充電器能同時控制充電電流和電池電壓。最早的充電器采用的是為電池芯提供CC(恒流)的模式,，直到電池電壓上升到“浮充”電壓,。一旦電池芯達(dá)到了浮充電壓，充電器的輸出就以CV(恒壓)方式保持這個浮充電壓值,，直到充電電流降到一個固定的低值。當(dāng)電池降到這個小電流值時,，充電器關(guān)閉(圖1),。與鎳化學(xué)電池和鉛化學(xué)電池不同的是，鋰化學(xué)電池通常在充電結(jié)束后沒有涓流充電,。實(shí)際上,，在充電結(jié)束后仍維持小電流會損壞某些鋰電池芯。

圖1，當(dāng)電池芯達(dá)到浮充電壓時,，充電器的輸出電壓就保持在CV模式的浮充值,，直到充電電流降至一個固定值。當(dāng)電池達(dá)到小電流時,，充電器關(guān)閉

使用標(biāo)準(zhǔn)的CC/CV算法就可以對一個鋰化學(xué)電池的充電時間做出近似的估計(jì),，方法是用電池容量(安培小時)除以恒流模式下的充電電流(安培)，得到的值再乘以充電時間1.3小時,。通過正確的設(shè)計(jì)和對CC/CV模式算法的智能調(diào)整,，可以得到更接近的計(jì)算值，但前者是一個良好的開始,。另外,，如果因?yàn)椴涣荚O(shè)計(jì)或不精確的電池電壓測量,，使CC到CV模式的轉(zhuǎn)換開始太早,，那情況就會糟得多。

鋰化學(xué)電池充電器的最低要求是，它必須能夠同時控制進(jìn)入電池的電流,，以及電池充電端子之間的電壓。從安全考慮,，大多數(shù)鋰化學(xué)電池充電器都會在電池溫度過高或過低時中斷充電,。很多情況下，當(dāng)電池電壓低到安全地恢復(fù)一個過放電電池時,，充電器可以降低充電電流,。

鋰化學(xué)電池芯結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)簡稱是NSMP，即N個芯串聯(lián)/M個芯并聯(lián),。在設(shè)計(jì)一款充電器時,，記住串聯(lián)數(shù)最關(guān)鍵，因?yàn)樗鼪Q定了電池電壓,。并聯(lián)數(shù)決定了電池容量,，只有在某種充電電流下計(jì)算充電時間時，才會用到它,。

電池充電器的轉(zhuǎn)換效果正在成為一個關(guān)鍵問題,，因?yàn)槊绹茉床?DOE)和其它國家監(jiān)管機(jī)構(gòu)都在逐漸推出這方面的規(guī)定。隨著這些新規(guī)定的生效,，高效率將成為主要的轉(zhuǎn)換器類型選擇標(biāo)準(zhǔn),。

專用充電IC

所有專用的充電控制IC都是將一個直流輸入電壓(一般是來自一個AC/DC電源)轉(zhuǎn)換為所需要的電流和電壓，供電池充電,。多數(shù)針對鋰電池的專用充電IC都支持前述的需求：CC與CV模式控制,、電池溫度使能/禁用，以及減少電流的低壓電池恢復(fù),。這類IC的例子很多,，如TI公司提供約160種器件；凌力爾特技術(shù)公司有大約60種,，Maxim公司有約70種,；而Intersil也有約50種。其它公司提供了更多充電器IC的選擇,，如飛兆半導(dǎo)體公司,、Analog Devices、飛思卡爾,、Micrel,、安森美半導(dǎo)體公司，以及Torex半導(dǎo)體公司,。

在選擇專用充電控制IC時,，通常要從幾方面著手：電池化學(xué)特性；串聯(lián)電池芯的數(shù)量，或最大電池電壓,；所需要的充電電流,；以及器件是否需要對溫度的充電使能/禁用功能。另外,，還必須考慮電源來源是否為USB接口,，以及最大最小輸入直流電壓。大多數(shù)IC供應(yīng)商的網(wǎng)站上都有參數(shù)化選擇工具,，能夠縮小你的選擇范圍,。

幾乎所有專用充電控制IC都采用了降壓型轉(zhuǎn)換器，即輸入電壓高于最大電池電壓,。少量IC支持降壓/升壓型電壓轉(zhuǎn)換,。最小輸入電壓與最大電池電壓之間的差額也是一個重要的選擇因素。

專用充電控制IC可分為兩大類： 線性轉(zhuǎn)換器和開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器,。線性轉(zhuǎn)換器的充電電流通常小于1A,，只能工作在簡單輸入輸出電壓的情況。另外,，如果未采用散熱片,、風(fēng)扇或類似高成本散熱裝置，轉(zhuǎn)換器的功率損失也會變得不可控制,。然而,，線性轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)就是廉價,、小型及易于設(shè)計(jì)(圖2),。

圖2， 線性轉(zhuǎn)換器價格便宜,，體積小,，并且易于設(shè)計(jì)

開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)要更復(fù)雜，但可以支持幾乎無限的I/O電壓與充電電流?，F(xiàn)代開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器工作在很高的開關(guān)頻率,，因此可以采用小型外接電感和瓷片電容，這就使電路可以做得小而簡單,。用開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器替代線性轉(zhuǎn)換器,，可獲得更高的轉(zhuǎn)換效率(圖3)。

圖3，現(xiàn)代開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器工作在很高的開關(guān)頻率上,，它們可以使用小型外接電感和瓷片電容,，因此電路既小又相對簡單

使用微控制器

現(xiàn)在，你也許奇怪,，為什么不在所有情況下都選擇專用充電控制IC,，以取代微控制器所要做的昂貴嵌入固件開發(fā)以及電路設(shè)計(jì)工作。很多微控制器有內(nèi)置ADC,、信號調(diào)整以及PWM控制,，這些都是電池充電控制設(shè)計(jì)的要求。例如來自Cypress公司的PSoC系列,，TI公司的MSP430系列,，Microchip公司的PIC處理器，以及Atmel公司的AVR處理器,，等等,。

你可以用一只廉價、功耗較小的微控制器設(shè)計(jì)一個電池充電控制器,，因?yàn)槌潆娍刂撇煌谝话愕碾娫纯刂?，它因電池的電化學(xué)特性而較緩慢。在電池里,，除了觸發(fā)保護(hù)以外,，沒有什么是在幾百毫秒時間內(nèi)發(fā)生的，而電池充電器從來不會觸發(fā)保護(hù),。因此,，軟件實(shí)現(xiàn)的控制循環(huán)非常適合于電池充電控制。只需要幾百行C代碼,，就可以為鋰離子電池實(shí)現(xiàn)CC/CV協(xié)議充電控制,。

唯一需要硬件支持的電路是電壓與電流測量放大器、ADC,、PWM輸出,，以及一些通用I /O端口；大多數(shù)現(xiàn)有微控制器都集成了這些部件,。這些處理器通常還帶有I 2C或SMbus(系統(tǒng)管理總線)接口,，可用于需要與電量表做通信的設(shè)計(jì)。

各家供應(yīng)商都發(fā)布了大量說明文檔,，描述如何將自己產(chǎn)品用做電池充電控制器,。有些甚至提供了這種應(yīng)用的評估系統(tǒng)，可以幫助你開始做電路和固件設(shè)計(jì),。很多情況下,，基于微控制器充電控制器的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)成本要高于采用專用控制器的設(shè)計(jì)。但為什么還要花這些錢，攤這些麻煩事呢,？

單芯電池

為單芯電池充電需要最簡單的充電控制設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在有大量的專用充電控制IC，可以處理高達(dá)3A的充電電流,，有內(nèi)置開關(guān)MOSFET,，幾乎不需要外接元件。采用5V直流,、最大500mA,，通過USB接口的充電設(shè)計(jì)正日益流行。單串聯(lián)電芯電池幾乎都使用這種方案,，并且可以為這種應(yīng)用選擇專用線性IC和開關(guān)模式控制IC,。

單芯充電算法通常不需要電池與充電器之間的通信。因此,，設(shè)計(jì)者一般會用專用的充電控制IC來實(shí)現(xiàn)單芯電池充電器,。這些例子包括手機(jī)充電器、剃須刀充電器,，以及智能手機(jī)和平板電腦的充電座,。這些便攜設(shè)備的核心電壓足夠低，一塊單芯鋰化學(xué)電池芯就可以提供出最低3V輸入電壓,。很多這些設(shè)備可以用USB電源充電,。

但在某些情況下，多槽充電器更適合于應(yīng)用,。這些情況包括醫(yī)療與軍事應(yīng)用,，這時某個中心場所總要充多塊電池。微控制器經(jīng)?？梢钥刂埔粋€以上的電池充電槽,，因?yàn)槌潆姷目刂扑惴ê苈?。微控制器對多槽的控制能力可以獲得一種量產(chǎn)的成本優(yōu)勢,，但也使固件復(fù)雜化，使充電器更難以設(shè)計(jì)與測試,。MicroPower這類供應(yīng)商可提供多至四槽的充電器,，它用一個廉價的PSoC微控制器就足以控制。

二至四芯電池

當(dāng)便攜設(shè)備需要的功率超過單芯鋰化學(xué)電池的能力時,，就需要考慮兩只或四只電池芯并聯(lián)的電池,。為這些電池充電要面臨復(fù)雜得多的設(shè)計(jì)問題，因?yàn)檫@時有電池芯的均衡以及CC/CV算法調(diào)整的要求,。為多芯電池充電時,，必須使最大電池芯電壓(而不是電池電壓)小于規(guī)定的浮充電壓。如果當(dāng)一只或多只電池芯電壓過高情況下，充電器還不斷向電池芯中送入電流,，則電池芯就會損壞,，縮短電池的壽命，甚至在極端情況下產(chǎn)生安全問題,。

你可以把電池芯均衡電路設(shè)計(jì)到電池里,，它或者是在某些電池芯周圍有分流電路，或者是為選定的電池芯增加額外的電流,，從而保持所有電池芯的均衡,。但是，有時候充電器也需要加入到均衡工作中,，為實(shí)現(xiàn)這一功能,，充電器必須能與電池管理系統(tǒng)通信。專用充電IC一般不支持這種交互式充電控制功能,，因此需要采用微控制器,。

為了優(yōu)化充電時間，應(yīng)針對電池溫度,、內(nèi)部電池電壓和其它參數(shù)調(diào)整充電控制的算法,，而這些參數(shù)只有電池管理系統(tǒng)才知道。例如,，為了優(yōu)化充電時間,，充電器應(yīng)在CC模式下停留盡可能長的時間。但是,，電池充電的電流路徑中有時包括一個防反接二極管,，阻止了充電器測到實(shí)際的電池芯堆電壓。電池管理系統(tǒng)可以測到電池中芯堆的電壓,，并將結(jié)果告知充電器,，后者就可以在CC至CV模式轉(zhuǎn)換算法中使用更精確電壓，并將電池的CC模式保持更長時間,。這種方案可以大大減少充電時間,。

針對更復(fù)雜電池的充電器通常有一個狀態(tài)顯示屏，如LED條形圖或LCD,。這種功能的實(shí)現(xiàn)通常就需要微控制器了,，因?yàn)閷Ｓ玫某潆娍刂浦恢С趾唵蔚臓顟B(tài)顯示。

用于軍用或醫(yī)用復(fù)雜電池的高端充電器有時候包含了微計(jì)算機(jī)系統(tǒng),，用于存儲和交流每塊電池的信息(一般是通過USB接口連到PC),。使用這些信息可以做預(yù)防性維護(hù)和電池狀態(tài)報(bào)告。

高壓電池

為了減少對電流的要求,， 電動汽車,、大型系統(tǒng)備份電源,，以及其它大功率需求應(yīng)用的電池設(shè)計(jì)者要采用大量串聯(lián)的電池芯堆。電動汽車的電池系統(tǒng)也支持再生剎車系統(tǒng),、主動冷卻與加熱,，以及其它先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)。正如大家想到的,，大量串聯(lián)的電池需要復(fù)雜的電池芯均衡電路和算法,。這些復(fù)雜而高壓的電池要求有全集成的電池管理系統(tǒng)與充電系統(tǒng)。將充電器與電池管理系統(tǒng)整合為一個系統(tǒng),，通常需要對很多電池管理系統(tǒng)功能做計(jì)算機(jī)控制,，因?yàn)閷Ｓ贸潆娍刂艻C太不靈活了。

這些復(fù)雜系統(tǒng)中常見的是電池車隊(duì)管理,，因此充電器/電池管理系統(tǒng)必須獲得和維護(hù)電池的健康和歷史信息,。電動車和家用/商用備份電源系統(tǒng)采用了分布式能量存儲，當(dāng)國家級智能電網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)時,，它們能在電網(wǎng)峰值負(fù)載管理方面起到作用,。這種情況下，要求充電系統(tǒng)能夠與電網(wǎng)變換器同步,，這樣,，電池就既可以從電網(wǎng)獲得電能，也可以為電網(wǎng)供能,。這些集成系統(tǒng)需要通過充電器與電池管理系統(tǒng)建立穩(wěn)健的聯(lián)系,，這樣智能電網(wǎng)才可以保存有關(guān)電池狀態(tài)和性能的信息。所有這些發(fā)展都轉(zhuǎn)換了充電器的角色,，使之從一個簡單的電流控制電壓轉(zhuǎn)換器,，變?yōu)橐粋€復(fù)雜、計(jì)算機(jī)控制能量管理系統(tǒng)中的子系統(tǒng),。

做出決定

要為某個特定應(yīng)用,，決定采用的充電控制器類型，有以下幾個步驟：如果電池是單芯鋰化學(xué)電池,，充電電流小于500mA(需要用USB電源充電),，則選擇專用的線性或最低功能的開關(guān)模式充電控制器，如TI公司的bq24100系列,。如果電池是一至三芯,，單體鋰化學(xué)型,，充電電流小于3A,，則采用專用的開關(guān)模式充電控制器，如TI公司的bq24105或bq24170,。不過,，如果應(yīng)用要求有充電器與電池之間的通信,、先進(jìn)的用戶界面， 或與主機(jī)之間的通信,，則要考慮采用微控制器,。如果電池是一至三芯，多槽鋰化學(xué)型,，充電電流小于3A,，則要在使用開關(guān)模式充電控制器與能控制多個槽的微控制器兩者成本之間作出權(quán)衡。

對于需要3A以上充電電流以及三芯以上的電池,，幾乎總是需要使用帶微控制器的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器,，因?yàn)橐@得安全和最佳充電時間，充電器與電池管理系統(tǒng)之間必須要有通信,。無論電池中有多少電池芯,，需要記錄和交換電池歷史信息和狀況信息的充電器應(yīng)用都必須采用微控制器，甚至微處理器,。