利用智能充电管理克服便携式设备所面临挑战

 

　　电子信息时代使对移动电源的需求快速增长。由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。锂离子电池的机理一般性分析认为，锂离子电池作为一种化学电源，指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。锂离子电池是物理学、材料科学和化学等学科研究的结晶。锂离子电池所涉及的物理机理，目前是以固体物理中嵌入物理来解释的，嵌入（intercalation）是指可移动的客体粒子（分子、原子、离子）可逆地嵌入到具有合适尺寸的主体晶格中的网络空格点上。电子输运锂离子电池的正极和负极材料都是离子和电子的混合导体嵌入化合物。电子只能在正极和负极材料中运动。已知的嵌入化合物种类繁多，客体粒子可以是分子、原子或离子。在嵌入离子的同时，要求由主体结构作电荷补偿，以维持电中性。电荷补偿可以由主体材料能带结构的改变来实现，电导率在嵌入前后会有变化。锂离子电池电极材料可稳定存在于空气中与其这一特性息息相关。嵌入化合物只有满足结构改变可逆并能以结构弥补电荷变化才能作为锂离子电池电极材料。

　　本文将讨论有关锂离子电池方面的一些潜在发展趋势，并介绍便携式产品设计师如何利用受微控制器（MCU）控制的脉冲宽度调制（PWM）或者基于单独的集成式电池充电管理控制器的解决方案设计灵活的锂离子电池充电管理系统来克服这些挑战。

　　采用锂离子电池的便携式设备供电设计挑战

　　采用锂离子电池的便携式设备供电设计面临的挑战包括但不限于：供电安全，电池化学特性，可用空间和所需的性能。便携式产品设计师在决策时必须倾其所有的知识和经验来克服每个可能出现难题。对于可重复充电的锂离子电池来说，还必须考虑充电/放电速率、寿命周期、维护和充电算法。为了实现每次充电后电池容量的化，充电电压调节非常重要。如图1所示，欠充0.6%的电池会导致5%的容量损失。但是又不能过充电，因为这是极其危险的。某些电池生产商，例如日本松下公司，建议将4.2V的电池充电到4.1V,以延长其在电能备份应用中的寿命。

图1：锂离子电池的容量损失与欠充电压的关系。

　　产品所面临的挑战通常与面市时间、总体系统成本以及可靠性有关。其中面市时间对绝大多数消费类产品来说是至关重要的，因为产品的寿命周期很短。在如今快速发展的世界里对市场的快速反应能力很重要。从概念到形成终产品的时间越短，意味着消耗的资源越少，并能通过节约设计时间来降低成本。不过，通过提高集成度来节省空间的解决方案通常会比分离元器件解决方案的成本高一些，但也并非都是如此。因此在设计产品时可靠性应始终放在首要位置，如果性能可以折中的话。

　　MCU+PWM控制器充电管理系统

　　MCU（Micro Control Unit）中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）或者单片机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。微控制器在经过这几年不断地研究，发展，历经4位，8位，到现在的16位及32位，甚至64位。产品的成熟度，以及投入厂商之多，应用范围之广，真可谓之空前。目前在国外大厂因开发较早，产品线广，所以技术，而本土厂商则以多功能为产品导向取胜。但不可讳言的，本土厂商的价格战是对外商造成威胁的关键因素。

　　如果产品开发中对灵活度比较侧重，在项目开发过程中可能作出修改，那么对于这样的应用来说，采用由MCU控制的PWM控制器电池充电管理系统是非常理想的。

图2：典型的基于MCU+PWM控制器的多电池单元多化学材料的充电管理应用电路。

　　图2给出了采用典型的单端初级电感转换器（SEPIC）拓扑结构的多个电池单元、多种化学成分的充电管理系统，该系统包含了MCP1631高压PWM（零件号MCP1631HV）和PIC12F683通用MCU.一些先进的MCU可以提供更多的GPIO和ADC,从而增加检测和输出状态。SEPIC采用的是一种开关型拓扑，因而在输入和输出电压差较大且电流较大时可以提供更高的效率和更低的功耗。例如，当工作在输入电压为9V、VBAT为4V、ICHARGE为1A时，常规的线性解决方案的功耗是（9V-4V）x1A=5W,然而效率为90%的开关解决方案在同样条件下功耗仅为4Wx（0.1/0.9）=.44W.对1/2瓦进行散热显然要比对5瓦进行散热容易得多。下列等式给出了上述例子中线性和开关电源的计算方法。

 

 

　　图3就是受MCU控制的PWM控制器采用恒流/恒压（CC-CV）算法以1A充电速率给单节1700mA锂离子电池充电时的典型充电曲线。算法开始的前提条件是电池电压是否低于预处理门限。一旦超过了这个预处理门限，系统就进入恒流充电阶段，直到检测到稳定的电压。本例中充电结束值为200毫安。接下来系统继续监测电池电压，并在电压低于再充电门对电池进行放电，从而有效限制充放电循环的次数，延长电池的使用寿命，同时使电压保持在安全水平。

 

图3：典型的具有CC/CV算法充电曲线的MCU+PWM控制器。

                                           
　　用于锂离子电池充电的独立IC充电管理系统

　　IC,即集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。它在电路中用字母"IC"（也有用文字符号"N"等）表示。随着微处理器和PC机的广泛应用和普及（特别是在通信、工业控制、消费电子等领域），IC产业已开始进入以客户为导向的阶段。一方面标准化功能的IC已难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求，同时整机客户则要求不断增加IC的集成度，提高保密性，减小芯片面积使系统的体积缩小，降低成本，提高产品的性能价格比，从而增强产品的竞争力，得到更多的市场份额和更丰厚的利润；另一方面，由于IC微细加工技术的进步，软件的硬件化已成为可能，为了改善系统的速度和简化程序，故各种硬件结构的ASIC如门阵列、可编程逻辑器件（包括FPGA）、标准单元、全定制电路等应运而生。

　　设计师选用全集成单芯片电池管理系统的主要原因在于其体积小，成本低，并且设计时间/工作量/资源。独立的锂离子电池充电IC,特别是用于线性拓扑的IC,只需要SMD电容器来保持AC稳定，并在没有电池负载时提供补偿。因此采用集成解决方案所需的PCB空间较小，相关元器件数量也少。图4是一个全集成的电池管理控制器作为独立的电池充电器使用时的典型应用电路。

图4：典型的独立充电管理控制器应用电路。

                                                              
　　由于在IC中置入了充电算法和事务管理电路，因而不再需要其他固件，可以直接进行设计。半导体公司通常会以详尽的数据手册和应用指南来提供良好的产品支持，帮助设计师将电池充电IC植入系统。这样做不仅加快了产品面市时间，而且还通过缩短开发时间和取消软件开发工作而降低了成本。不过，灵活度不够是这种独立的充电管理IC在如今快速变化的电池领域面临的主要问题。

　　各种方案是如何克服挑战的？

　　充电电池的额定电压和充电电压取决于其化学材料。电池阳极和阴极所用化学材料的不同决定了电池电压和其他相关特性，例如能量密度、内阻等。例如，电池制造商对钴和锰锂离子电池推荐的充电电压为4.2V,而对磷酸盐锂电的推荐充电电压为3.6V.虽然磷酸盐锂离子电池可以用较高的稳定电压充电以使得每次充电后能有的电能，但代价是电池寿命将缩短。

　　由微控制器管理的系统可以方便地修改电压稳定机制、预处理门限电压、的充电电流和其他参数，而且所有这些功能都无需改变硬件即可实现。通过适当地更新固件和一些不重要的硬件，该系统很容易适用于Ni-MH、Ni-Cd密封铅酸（SLA）以及其他化学材料的电池。MCU可以使其他系统具备智能化，这对便携式设备是很有益的，例如系统监视和提供输出信号、与通信等，从而有效防止终用户使用伪劣电池。

　　由于缺乏灵活性，使得集成系统很难竞争过MCU+PWM的充电管理方案。通常IC设计公司和半导体制造商通过提供不同的预置电压、可选的或者可编程的电流（预处理电流、充电电流和结束电流）以及采用外部电阻和电容编程某些参数来解决这些问题。通常，充电管理IC采用电池制造商所建议的CC-CV充电算法。安全定时器也是可编程的，或是可选择的。当安全定时器在充电结束之前溢出时，系统会增加一个故障标志或者关断。安全定时器可用来防止锂离子电池由于过充电而发生危险，并能识别'死'电池。例如对一个性能良好的锂离子电池来说，在加上一个适当的电压后，它会在较短的时间内进入恒流充电状态。如果在预处理期间安全定时器发生溢出，电池很可能需要更换了。 

图5：全集成独立充电器IC的典型充电曲线。
              

　　图5给出了一个典型的独立线性锂离子电池充电管理控制器的完整充电过程。所需的总充电时间将根据结束充电选项的不同而不同。在每个充电过程的开始，如果内部功耗过高，热反馈将调节器件的温度。当器件温度低于值时，恒流模式将恢复到编程值，从而提高充电器的可靠性和安全性。这种作法的代价是整个充电周期略有增加。比较图3和图5,热调节功能实际上只是使整个充电过程延长了大约7分钟，这在绝大多数的应用中是微不足道的，因为整个充电周期约为3小时。

　　本文小结

　　全集成的IC可以帮助设计师快速且低成本地实现电池充电功能。但是，这些标准的器件无法满足所有便携式器件设计和设计师的需求。产品设计师通常很难找到能够满足所有设计要求的电池充电解决方案。电池充电管理控制器IC通常是针对一般性应用设计的，而并非针对特殊应用而设计。一些制造商试图提供单芯片多化学材料的解决方案，但与这些方案有关的内置算法要么太昂贵，要么用户不友好。对于高端电池充电管理系统或者电池化学材料可能随着产品的改版而改变的设计来说，基于MCU+PWM控制器的系统是理想的解决方案。

                                                            

表1：MCU+PWM控制器与独立充电器IC的比较。