利用智能充電管理克服便攜式設備所面臨挑戰(zhàn)

用于鋰離子電池充電的獨立IC充電管理系統(tǒng)

IC,即集成電路是采用半導體制作工藝，在一塊較小的單晶硅片上制作上許多晶體管及電阻器、電容器等元器件，并按照多層布線或遂道布線的方法將元器件組合成完整的電子電路。它在電路中用字母IC(也有用文字符號N等)表示。隨著微處理器和PC機的廣泛應用和普及(特別是在通信、工業(yè)控制、消費電子等領域)，IC產(chǎn)業(yè)已開始進入以客戶為導向的階段。一方面標準化功能的IC已難以滿足整機客戶對系統(tǒng)成本、可靠性等要求，同時整機客戶則要求不斷增加IC的集成度，提高保密性，減小芯片面積使系統(tǒng)的體積縮小，降低成本，提高產(chǎn)品的性能價格比，從而增強產(chǎn)品的競爭力，得到更多的市場份額和更豐厚的利潤;另一方面，由于IC微細加工技術的進步，軟件的硬件化已成為可能，為了改善系統(tǒng)的速度和簡化程序，故各種硬件結(jié)構(gòu)的ASIC如門陣列、可編程邏輯器件(包括FPGA)、標準單元、全定制電路等應運而生。

設計師選用全集成單芯片電池管理系統(tǒng)的主要原因在于其體積小，成本低，并且設計時間/工作量/資源最小。獨立的鋰離子電池充電IC,特別是用于線性拓撲的IC,只需要SMD電容器來保持AC穩(wěn)定，并在沒有電池負載時提供補償。因此采用集成解決方案所需的PCB空間較小，相關元器件數(shù)量也最少。圖4是一個全集成的電池管理控制器作為獨立的電池充電器使用時的典型應用電路。

圖4：典型的獨立充電管理控制器應用電路。

由于在IC中置入了充電算法和事務管理電路，因而不再需要其他固件，可以直接進行設計。半導體公司通常會以詳盡的數(shù)據(jù)手冊和應用指南來提供良好的產(chǎn)品支持，幫助設計師將電池充電IC植入系統(tǒng)。這樣做不僅加快了產(chǎn)品面市時間，而且還通過縮短開發(fā)時間和取消軟件開發(fā)工作而降低了成本。不過，靈活度不夠是這種獨立的充電管理IC在如今快速變化的電池領域面臨的主要問題。

各種方案是如何克服挑戰(zhàn)的?

充電電池的額定電壓和充電電壓取決于其化學材料。電池陽極和陰極所用化學材料的不同決定了電池電壓和其他相關特性，例如能量密度、內(nèi)阻等。例如，電池制造商對鈷和錳鋰離子電池推薦的充電電壓為4.2V,而對磷酸鹽鋰電的推薦充電電壓為3.6V.雖然磷酸鹽鋰離子電池可以用較高的穩(wěn)定電壓充電以使得每次充電后能有最大的電能，但代價是電池壽命將縮短。

由微控制器管理的系統(tǒng)可以方便地修改電壓穩(wěn)定機制、預處理門限電壓、最大的充電電流和其他參數(shù)，而且所有這些功能都無需改變硬件即可實現(xiàn)。通過適當?shù)馗鹿碳鸵恍┎恢匾挠布?，該系統(tǒng)很容易適用于Ni-MH、Ni-Cd密封鉛酸(SLA)以及其他化學材料的電池。MCU可以使其他系統(tǒng)具備智能化，這對便攜式設備是很有益的，例如系統(tǒng)監(jiān)視和提供輸出信號、認證與通信等，從而有效防止最終用戶使用偽劣電池。

由于缺乏靈活性，使得集成系統(tǒng)很難競爭過MCU+PWM的充電管理方案。通常IC設計公司和半導體制造商通過提供不同的預置電壓、可選的或者可編程的電流(預處理電流、充電電流和結(jié)束電流)以及采用外部電阻和電容編程某些參數(shù)來解決這些問題。通常，充電管理IC采用電池制造商所建議的CC-CV充電算法。安全定時器也是可編程的，或是可選擇的。當安全定時器在充電結(jié)束之前溢出時，系統(tǒng)會增加一個故障標志或者關斷。安全定時器可用來防止鋰離子電池由于過充電而發(fā)生危險，并能識別'死'電池。例如對一個性能良好的鋰離子電池來說，在加上一個適當?shù)碾妷汉?，它會在較短的時間內(nèi)進入恒流充電狀態(tài)。如果在預處理期間安全定時器發(fā)生溢出，電池很可能需要更換了。

圖5：全集成獨立充電器IC的典型充電曲線。

圖5給出了一個典型的獨立線性鋰離子電池充電管理控制器的完整充電過程。所需的總充電時間將根據(jù)結(jié)束充電選項的不同而不同。在每個充電過程的開始，如果內(nèi)部功耗過高，熱反饋將調(diào)節(jié)器件的溫度。當器件溫度低于最大值時，恒流模式將恢復到最大編程值，從而提高充電器的可靠性和安全性。這種作法的代價是整個充電周期略有增加。比較圖3和圖5,熱調(diào)節(jié)功能實際上只是使整個充電過程延長了大約7分鐘，這在絕大多數(shù)的應用中是微不足道的，因為整個充電周期約為3小時。

本文小結(jié)

全集成的IC可以幫助設計師快速且低成本地實現(xiàn)電池充電功能。但是，這些標準的器件無法滿足所有便攜式器件設計和設計師的需求。產(chǎn)品設計師通常很難找到能夠滿足所有設計要求的電池充電解決方案。電池充電管理控制器IC通常是針對一般性應用設計的，而并非針對特殊應用而設計。一些制造商試圖提供單芯片多化學材料的解決方案，但與這些方案有關的內(nèi)置算法要么太昂貴，要么用戶不友好。對于高端電池充電管理系統(tǒng)或者電池化學材料可能隨著產(chǎn)品的改版而改變的設計來說，基于MCU+PWM控制器的系統(tǒng)是理想的解決方案。

表1：MCU+PWM控制器與獨立充電器IC的比較。