探讨便携式电子装置电池充电控制的最新技术

探讨便携式电子装置电池充电控制的最新技术

1 简介

随着科技的进步，个人电子设备飞速发展，手机、笔记本电脑、数码相机等便携设备已经成为人们生活中越来越必要的设备，而便携设备所配备的现代化学电池对充电管理有着严格的要求，如果能从充电控制、安全、体积、成本等方面为这些现代化学电池提供优质的充电管理，对于终端用户来说会比使用一次性电池更加方便，可以降低使用成本；对于制造商来说，也可以增加其竞争力。

本文以TI公司开发的多化学电池充电管理集成电路为例，探讨便携式电子设备中搭载的电池充电控制的最新技术。

2 便携式设备充电电池及其充电技术的现状

目前使用的充电电池种类繁多，其中镍镉电池（Ni-Cd）、镍氢电池（Ni-MH）及锂离子电池（Li-Ion）为三大主要竞争对手，表一列出各电池各自的特性。

表1 三种充电电池特性比较

电池特性镍镉镍氢锂离子

能量密度Wh/＋

工作电压/V1.21.23.6

开路电压/V1.31.33.6

快速充电电流1C 1C1C

充电方式 恒流方式 恒流方式 先恒流，后恒压

基本充电终止法或 ΔT/Δt 最小电流法

放电电压范围/V1.0～1.21.0～1.23.0～3.8

月平均自放电率 15% 20% 6%

从表1可以看出，镍镉电池的能量密度最低，锂离子电池的能量密度最高。从成本上看，镍氢电池介于两者之间。由于近年来镍氢电池的性能得到了很大的提升，在对能量密度要求较高的场合，镍氢电池具有很强的成本竞争力。

便携设备制造商利用各种电池的不同特性来实现其产品性能和成本目标，以便在市场上更好地定位和差异化其产品。这些电池的不同性价比也使得制造商可以为同一款产品提供多种电池组选择，让消费者根据自己的需求选择合适的电池。这样就形成了电池多元化的局面，而各种充电设备也必须支持多种化学电池的充电方式。

人们对于电池充电的设想多种多样，各种充电控制方法也应运而生，过去一般采用一些常用的集成电路与分立电子元器件组成具有一定功能的装置，控制充电电压或充电电流。

对于现代的Ni-Cd、Ni-MH和Li-Ion电池充电，典型的控制方法是采用具有模拟/数字转换功能的微处理器、不同的开关转换器充电控制电路和具有温度补偿的不同电压基准，加上相应的镍基和锂基化学知识，设计预充电判断、状态处理、充电计算和维持充电技术。完成这样的充电控制成本比较昂贵，工艺比较复杂，充电器比较大。为了降低成本、减小体积、降低设计的复杂性，该公司（已被TI收购）开发了一种全集成的半导体集成电路，可以管理多种化学结构的电池的充电。

3 简介

它是一种8脚开关型充电控制集成电路，适用于各种化学结构电池的充电管理，可实现高精度的充电控制，简化了Li-Ion、Ni-Cd、Ni-MH电池的充电过程，将各种化学结构电池所必需的电源转换、充电控制算法以及现代化学电池充电所需的许多其他功能电路集成在同一块半导体集成电路芯片上。

其主要特点如下：

——可以安全管理镍镉、镍氢、锂离子电池的充电；

——高频开关控制器，充电效率高达90%以上；

——可以防止电池组过充、欠充；

——初始充电模式可检测电池短路、损坏及电池过热；

- 快速充电终止模式，对于镍基电池，可以选择峰值电压（PVD）和最大关断模式，对于锂电池，可以选择最小电流和最大关断模式；

——可编程涓流充电模式，可恢复严重耗尽的电池，并具有过充保护功能；

——补充充电模式可使镍氢电池达到最大容量；

——电池组插入、移除检测；

——低功耗睡眠模式。

图1为其引脚排列图，图2为其简化功能框图。

图1 引脚排列图

图2 功能框图

各引脚功能如下：

引脚 1 (SNS) 充电电流检测输入（此端口使用与电池组串联的检测电阻两端的电压来限制充电电流）。

引脚 2 (Vss) 电源地。

脚3（LED）充电状态输出端，使用外接发光二极管，通过亮、灭、闪烁等方式显示不同的充电状态。

引脚4（BAT）电池电压输入端。在充电电池两端加一个电阻分压器，产生电池电压检测输入信号。

引脚5（Ts）温度检测输入端。它是可充电电池组的温度检测电路的输入。它由一个外部电阻和一个负温度系数热敏电阻组成，用于设置高低温阈值。

引脚 6 (RC) 定时器编程输入。在充电周期中，RC 输入为最大充电时间，编程关闭时间和涓流充电率，并控制是否有补充充电模式。

引脚7（Vcc）芯片电源输入引脚。

脚8（MOD）充电控制输出端。用于控制电池的充电电流。

4 工作原理

Ni-Cd、Ni-MH、Li-Ion电池需要精确控制化学电池的最大容量和防止过充，因为过充会降低电池的使用寿命，并对终端设备造成物理损坏。针对这种情况，振荡器与内部振荡器协同工作，为时钟发生器产生时钟信号，控制数/模转换、-ΔV运算器等相关单元电路，使它们同步工作。对于电池充电电压的采样，在充电电流的瞬间中断时进行采样，以保证采样准确。采样电压从引脚4（BAT）进入电路，经过模/数转换后送到-ΔV运算器进行处理。计算结果送到充电控制单元，随时控制充电过程。经过每秒数千次的采样、计算和控制，可以达到精确控制的目的。

在充电的初始阶段，通过监测电池电压来检测电池的化学结构。一旦确定了化学结构，就使用适当的算法来确定符合化学结构的控制方法。这个过程可以消除充电不足和过度充电。所用的基本充电方法因电池的化学结构而异。对于镍镉和镍氢电池，是峰值终止法，而对于锂离子电池，是最小电流法。为了充电安全，电路内部设置了用户可编程的充电定时器。也可以使用最大时间法通过定时器终止充电。

此外，为确保安全，在电池电压和温度达到预定或用户定义的阈值之前禁止快速充电。对于镍氢电池，该IC还提供了一种可选的充电模式，即补充充电模式，以最大限度地提高电池容量。

集成高频电源转换器可用作开关模式设计，效率超过 90%。此功能与精密内部基准相结合，使其成为低功耗、高精度充电器的理想解决方案。

5 充电过程分析

5.1 镍镉电池和镍氢电池充电管理

充电管理流程图如图3所示。在一个典型的充电周期中，首先要对NiCd和NiMH电池进行检测，确定当前电池状态，正常后才能进行快速充电。如果电池温度和电压超出允许范围，将自动拒绝快速充电，以确保安全。当电池温度超过45℃时，暂停充电，直到温度下降。当电池温度低于10℃或单格电压低于1V时，电池损耗严重，必须先进行小电流充电。温度和电压正常后才能进行快速充电。以上措施可有效延长电池的使用寿命。

图3 充电管理流程图

在快充启动后，设置一段时间作为PVD检测阻断时间，本充电器设计这段时间为300s，在这段时间内不检测负电压增量，这是因为有些老电池在充电初期，电池端电压不但不上升反而下降，导致充电器过早停止工作。

PVD终止检测法对原有的-ΔV检测法做了一些改进，在-ΔV检测时，只有当单节电池电压低于最高充电电压12mV时，快充才会终止，而PVD则将其改为4mV/节，有效避免了过充。镍基充电电池通常采用不大于1C的恒流充电，对于镍基充电电池，可以根据电压或温度来终止快充。图4是一种典型的电压法，即峰值电压检测法，可以看出，当电池的电压峰值在0~4mV/节范围内时，终止快充。温度终止法则是电池温升速率。

， 典型的

速率为1°C/min，如图5所示。

图4 峰值电压终止方法

图5 温度变化率终止方法

当充电速率为1C或0.5C时，终止快速充电后电池可能仍未充满，本充电器为适应电池的化学特性，设有补充充电程序，补充充电的平均充电速率设定为快速充电速率的1/18。

快速充电或补足充电完成后，开始脉冲涓流充电，用于补充电池因自放电而损失的电量。这个过程通常称为维护充电。充电速率一般设置为快速充电速率的 1/32。只要不取下电池，这种维护充电就会持续下去。

5.2 锂离子电池充电管理

与镍镉和镍氢电池一样，锂离子电池在快速充电之前也必须进行识别和处理。然而，锂离子电池的充电算法更复杂。通常，首先以 1C 或更低的恒定电流对电池进行充电，直到达到其容量的 70% 至 80%，然后切换到恒定电压充电，通常限制为每节电池 4.2V。

锂离子电池充电电压有严格要求的原因有二，一是要将电池充到最大容量，又不损坏电池，如果充电电压偏低，虽然不会损坏电池，但是很难充到最大容量，降低了电池的放电能力；二是充电电压过高，在充电过程中可能会损坏电池组内部的电压保护器。

图6是锂离子电池的典型充电曲线，随着恒流充电持续一定时间，充电电流开始逐渐减小，通常当充电电流降至最大充电电流的10%~15%时，充电结束。由于锂离子电池的自放电很小，一般不需要进行维护充电。

图6 锂离子电池典型充电图

6 设计实例

图7是我们做的充电器充电管理部分的实际电路，它的直流输入电压为9-16V，Vcc为5V，充电电流为1A，可以给4节镍电池和1节锂电池充电。R7接电池负极时，可以给4节镍电池充电。R8接电池负极时，可以给1节锂电池充电。下面是相关数据的计算。

图7 充电器原理图

1）最大充电结束时间

根据相关资料，对于镍基电池，设最大充电时间为tmax，则

tmax=35998×C7×R10=35988×3.3×10-7×6.8×103≈80（分钟）

对于锂电池

tmax=2×35998×C7×R10≈160（分钟）

其中：电容单位为F，电阻单位为Ω，时间单位为min。

2）温度监测

如上所述，出于安全考虑，无论是镍电池还是锂电池，都必须在电池制造商给出的最佳温度范围内进行快速充电。因此，在整个充电过程中必须监控充电电池的温度。在充电过程中，电池温度会缓慢上升，当温度达到设定的最高点时，应终止快速充电。

负温度系数热敏电阻可用作廉价的温度-电压转换器来监测电池温度。为了准确监测电池温度，热敏电阻应尽可能靠近电池，并在引脚Vcc和Vss之间连接电阻-热敏电阻网络。这样，在电阻和热敏电阻之间的节点（引脚TS）即可获得温度采样输入电压，如图8所示。

图8 温度检测配置图

3）充电电压和充电电流充电过程中，始终监测电池电压，确保其不超过最大允许值。加在电池电压采样输入端（BAT脚）的电压应为单体电池的电压。为此，应在电池组两端加一个高阻抗电阻分压器。如图7所示，对镍基电池充电时，分压比应为

=N-1（其中N为充电电池数量，R2接电池正极，R7接电池负极）。锂电池充电时，假设单节锂电池最高电压为4.1V，则分压比为

=（4.1×N－2）/2。此时输入直流电压也随之变化。

本设计中最大充电电流Imax为1A，可以通过改变R9来调整。

最大电流=

。

4）LED状态

充电过程中发光二极管的工作情况如表2所示。

表2 发光二极管的工作条件

充电类型

LED 状态

充电类型

LED 状态

没有电池

破坏

充值充电模式

破坏

充电前进行电池测试

闪光

充电完成

破坏

涓流充电（快速充电之前）

闪光

睡眠模式

破坏

快速充电

明亮的

充电暂停

闪光

5）测量波形

在充电器制作过程中，我们用示波器测量了快充和涓流充电，波形分别如图9、图10所示。

图9 1A快充电流波形

图10 涓流充电时的电流波形

7 结论

1）该充电控制电路是美国某公司推出的一款新型充电控制电路，是当前电源技术领域中充电控制电路的一项新技术、新产品。

2）充电控制电路的特点是

——将充电控制所需的所有单元电路集成到一颗IC中；

——芯片内含非常有用的运算单元，可以使整个电路控制更加精确，操作更加安全，功能更加强大；

——外围电路大大简化，更容易掌握，使用更方便。

3)可对目前应用最为广泛的多种电池进行充电，如NiCd、NiMH、Li-Ion等。