今天，便攜式應(yīng)用對(duì)電池提出了許多獨(dú)特要求：電池必須具有高能量密度，以為便攜式應(yīng)用提供源源不斷的能量(突發(fā)或連續(xù)模式)；電池重量要輕，占位面積要��；電池應(yīng)能夠安全地使用和防止可能的濫用，并具有無限期的閑置使用壽命；最后，電池應(yīng)該具有極低的成本。由于鋰離子或鋰聚合物電池能滿足大多數(shù)上述要求，因此它們已經(jīng)成為當(dāng)前便攜式應(yīng)用的首選電池。

可充電鋰離子電池的一般特性

與其它現(xiàn)有電池相比，可充電鋰離子電池具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，這使它們成為更適合于便攜式應(yīng)用的電源。它們可以提供更高的能量密度(最高達(dá)200 Wh/kg或300-400 Wh/L)和更高的電池電壓(炭陽極電池為4.1伏，石墨陽極電池為4.2伏)。鋰離子電池的外形可以是四邊形，并具有更長(zhǎng)的充電保持或閑置壽命以及更高的充電次數(shù)。

鋰離子電池的更高化學(xué)能量密度和更高電池電壓使得我們可以為便攜式應(yīng)用制造出更小和更輕的電池，更輕和更小的電源對(duì)便攜式應(yīng)用而言常常是至關(guān)重要的。不過，要想充分利用電池容量或延長(zhǎng)電池壽命，必須極其嚴(yán)格地控制充電參數(shù)。

延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵是合理選擇充電參數(shù)，如電流、電壓和溫度。在充電過程中，施加電壓的精度對(duì)提高電池的效率和延長(zhǎng)電池的壽命具有非常重要的作用。超過充電終止電壓將導(dǎo)致過充電，這在短期內(nèi)會(huì)增加電池的供電量，但長(zhǎng)期來說則會(huì)導(dǎo)致電池失效并產(chǎn)生安全問題。

充電終止電壓每提高1%，電池的初始容量就會(huì)增大約5%。這種顯而易見的短期增益效應(yīng)會(huì)對(duì)電池的充電/放電次數(shù)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。過充電導(dǎo)致了充電次數(shù)的減少。

另一方面，欠充電盡管不會(huì)產(chǎn)生安全問題，但會(huì)顯著減小電池的容量。

一般來說，鋰離子電池的充電原理在概念上非常簡(jiǎn)單。電池的等效電路通常被認(rèn)為是由一個(gè)電容量很大的電容器與一個(gè)內(nèi)部漏電電阻RLeakage組成的并聯(lián)電路。

電池導(dǎo)線與電芯本身之間的電阻和電感分別用有效串聯(lián)電阻(ESR)和有效串聯(lián)電感(ESL)表示。這些參數(shù)是電池的機(jī)械結(jié)構(gòu)和特殊化學(xué)成分的函數(shù)。電池的ESR介于50到200m(之間，而ESL是納亨量級(jí)的電感。我們將在下文中看到，ESR給在充電期間精確地檢測(cè)電池電壓帶來了特殊的挑戰(zhàn)。

鋰離子電池的充電方法有很多種。最簡(jiǎn)單的鋰離子電池充電器通常指的是恒壓(CV)充電器(見圖1)。它由與電池兩端相連的一個(gè)電流受限的恒壓源組成。它的電流被限制在電池容量以下，輸出電壓調(diào)節(jié)為電池終止電壓(炭陽極電池是4.1V，石墨陽極電池是4.2V)。
能量耗盡的電池將盡可能吸收充電電源提供的電流。在給電池充電時(shí)，電池兩端的電壓將會(huì)上升，而充電電流將逐漸變小。當(dāng)充電電流下降到0.1C以下時(shí)，可以認(rèn)為電池已被充滿。因?yàn)椴恢鲝堜噶鞒潆?trickle charg)，所以當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，充電器必須完全關(guān)閉或斷開。為防止有缺陷的電池被不確定的電流充電，應(yīng)使用后備定時(shí)器來終止充電過程。

雖然恒壓充電是一種成本相對(duì)較低的方法，但它的確需要很長(zhǎng)的充電時(shí)間。由于電源電壓保持恒定，隨著電池不斷被充電，充電電流將迅速下降，從而使充電的速度也迅速下降。然后，給電池充電的電流速率將遠(yuǎn)低于它可以承受的電流速率。

一種更快的充電方法是恒流/恒壓(CC/CV)充電，如圖2所示。當(dāng)開始充電時(shí)，CC/CV充電器首先施加一個(gè)等價(jià)于電池容量C的恒定電流。為防止在恒流充電周期中過充電，需要監(jiān)視電池封裝兩端的電壓。當(dāng)電壓上升到給定的終止電壓時(shí)，電路切換到恒壓源工作模式。即使電池封裝兩端的電壓達(dá)到終止電壓，但因?yàn)樵贓SR上存在電壓降，所以實(shí)際的電池電壓將低于終止電壓。

在恒流充電期間，電池能以接近其終止電壓的高電流速率充電，且不會(huì)有任何被施加高電壓和發(fā)生過充電的威險(xiǎn)。

經(jīng)恒流充電后，電池的容量將達(dá)到其額定值的約85%。在恒流周期結(jié)束后，充電器切換到恒壓周期。在恒壓周期，充電器通過監(jiān)視充電電流來決定是否結(jié)束充電。與恒壓充電器一樣，當(dāng)充電電流減小到電池的0.1C以下時(shí)充電周期結(jié)束。圖2顯示了一個(gè)完整的CC/CV充電過程。

盡管實(shí)現(xiàn)CC/CV充電方法需要更加復(fù)雜的電路，但因?yàn)樗�可以顯著減少充電時(shí)間，所以各種不同的CC/CV充電方式在鋰離子電池充電應(yīng)用中居于主導(dǎo)地位。

迄今為止，我們一直假定被充電的對(duì)象是質(zhì)量好的電池。但情況并非總是如此。被充電的電池可能有缺陷而不能接受充電。此外，試圖對(duì)有缺陷的電池進(jìn)行快速充電可能會(huì)產(chǎn)生安全隱患。理想的充電器必須能檢測(cè)所有可能的電池故障模式，并有針對(duì)性地進(jìn)行充電。為簡(jiǎn)化問題，我們?cè)谇懊娴挠懻撝杏幸夂雎粤肆硪粋�(gè)因素，即電池溫度。如果鋰離子電池的溫度超出指定的溫度范圍，那么給它充電將是不安全的。目前，所有充電器都必須跟蹤電壓的變化，而CV/CC充電器甚至需要跟蹤電流和電壓。但正如前文所指出的，我們?cè)谔岣叱潆娖餍�率和延長(zhǎng)電池壽命的同時(shí)不能忽略潛在的安全問題，這使我們?cè)絹碓叫枰�更智能的充電操作�?

為防止因意外把反向電壓施加到電池上，所有鋰離子電池包都包含一些復(fù)雜的電路。一般來說，保護(hù)功能包括防止過放電、過充電、過大的充/放電電流以及避免電池被施加高電壓。

在電池的充電或放電期間，如果任何參數(shù)超過了特定電池設(shè)置的限制值，電芯與電池終端之間的連接將斷開。通常，當(dāng)反向電壓被撤除或者電池被預(yù)置之后，經(jīng)過一段時(shí)間，充電器將會(huì)復(fù)位。

除了電子保護(hù)以外，電池還包含機(jī)械的二級(jí)過流保護(hù)器件。一種聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)過流保護(hù)器件被串聯(lián)在電池封裝與電芯終端之間。

當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，PPTC器件從低阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而保護(hù)了電路。器件因I2R發(fā)熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致它的溫度上升，而上述變化正是器件溫度快速增高的結(jié)果。

好的充電器設(shè)計(jì)必須能夠確定鋰離子電池是否可以安全、有效地進(jìn)行快速充電。下面是一些支持便攜式應(yīng)用的充電器實(shí)例。

獨(dú)立型充電器LP3946

LP3946是獨(dú)立型單單元鋰離子電池充電器，它帶有一個(gè)集成的導(dǎo)通晶體管和電流傳感電阻。除了充電功能外，它還可以工作在低壓降(LDO)模式下。這個(gè)功能在制造過程中非常有用，因?yàn)樵趯?duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試和性能驗(yàn)證時(shí)，它免除了插入電池的需要。

充電周期從插入電源變壓器開始。充電器首先驗(yàn)證輸入電壓，如果它在允許的范圍之內(nèi)，充電器將啟動(dòng)電池認(rèn)證過程。在這個(gè)階段，一個(gè)電流源向電池終端施加50mA電流，同時(shí)監(jiān)視電壓。如果電池兩端的電壓高于3.0V，表示電池的狀況良好，那么恒流充電周期將啟動(dòng)。電流的幅度是電池容量的函數(shù)，這可以參考電池制造商推薦的數(shù)值。典型充電電流是1C，但一些電池需要更低的充電電流。

Diff-Amp的輸出端可以模擬重現(xiàn)充電電流。Diff-Amp輸出端也代表在LDO工作模式下的電流。在單電源供電系統(tǒng)中，為避免當(dāng)工作電壓接近地電位時(shí)發(fā)生精度錯(cuò)誤，Diff-Amp的輸出被偏置為0.5V。

為便于使用和減少外部元件數(shù)量，LP3946的快速充電電流是在工廠按用戶的要求設(shè)定的。恒流源也可以在工廠設(shè)定成從500 mA到 950 mA之間按50 mA遞增的任何值。其它工廠可以預(yù)置的參數(shù)包括終止電壓(4.1或4.2V)和充電結(jié)束電流(0.1C、0.15C或0.2C)。

在恒流周期，為避免過充電，要非常精確地監(jiān)視電池電壓。正如前面所描述的，如果超過電池的終止電壓，電池壽命將逐步縮短，而且這個(gè)效應(yīng)是累積性的。在恒流充電過程中，由于在電池的ESR上存在電壓降，所以電池兩端的電壓并不能準(zhǔn)確代表電芯的電壓。當(dāng)在終止電壓結(jié)束恒流周期時(shí)，ESR的電壓降提供了一個(gè)保險(xiǎn)裕度，使電池不會(huì)被施加過高的電壓。

在恒流周期，電池被充電到容量的80-85 %左右。在恒流周期結(jié)束之后，恒壓周期開始啟動(dòng)。在這個(gè)周期，電池的充電電流為ICharger = (VBatt - Vcell)/ESR。在充電過程中，Vcell不斷升高而充電電流隨之下降。隨著充電電流的減小，因ESR產(chǎn)生的誤差也將逐漸減小，所以電池兩端的電壓可以更準(zhǔn)確地代表電芯的實(shí)際電壓。

當(dāng)電流下降到預(yù)置的充電結(jié)束 (EOC) 電流以下時(shí)，充電終止。通常，推薦的EOC電流水平為0.1C、0.15C和0.2C。

一旦檢測(cè)到EOC電流，充電周期結(jié)束。在這時(shí)，充電器電路關(guān)閉，維護(hù)周期啟動(dòng)。在維護(hù)周期，當(dāng)監(jiān)視到電池電壓下降到3.9V以下時(shí)，充電周期重新開始(假設(shè)檢測(cè)到的整流器信號(hào)有效)。

當(dāng)電能消耗使電池電壓下降到3.0V以下時(shí)，快速充電被預(yù)認(rèn)證周期替代。這主要是出于安全考慮，并避免對(duì)可能有故障的電池進(jìn)行快速充電。在正常運(yùn)行時(shí)，如果電芯電壓下降到這個(gè)電平，內(nèi)部保護(hù)電路將被激活，以切斷電芯終端與電池封裝終端之間的連接。如果電池沒有永久性損壞，則施加低水平的電流以逐步提高電池電壓，并使內(nèi)部保護(hù)電路復(fù)位。作為一個(gè)后備保護(hù)器件，定時(shí)器計(jì)數(shù)器會(huì)記錄總的充電時(shí)間。如果電池經(jīng)過5.6小時(shí)的恒流或恒壓充電仍未達(dá)到終止電壓，那么將放棄充電。

作為充電周期的可視指示信號(hào)，CHG信號(hào)點(diǎn)亮一個(gè)紅色LED，表示充電周期的開始。EOC信號(hào)點(diǎn)亮一個(gè)綠色LED ，表示充電周期的結(jié)束。在維護(hù)周期，只要交流變壓器依然插在墻上，綠色LED就一直接通。如果檢測(cè)到故障條件，紅色和綠色LED將同時(shí)接通。

BIPB輸入引腳是一個(gè)多功能引腳。它的主要功能是允許LP3946在沒有插入電池時(shí)作為L(zhǎng)DO來工作。在LDO模式，LP3946的輸出設(shè)定為4.1V。BIPB引腳還能被用于電池就位檢測(cè)功能，即當(dāng)電池就位時(shí)，它將通過電池的ID電阻與地連通。

LP3946是一個(gè)典型的自維護(hù)充電器，它便于使用，而且只需要最少數(shù)量的外部元件。在充電周期，它實(shí)際上不需要用戶干預(yù)。然而，一些應(yīng)用要求與充電器進(jìn)行更多的互動(dòng)。其主要原因是為了修改充電參數(shù)，以便使它們與被充電的電池類型匹配。這樣的一個(gè)例子是標(biāo)準(zhǔn)電池與大負(fù)荷或高容量的電池互換。高容量電池可以使用為低容量電池設(shè)定的充電參數(shù)進(jìn)行充電，但這需要更長(zhǎng)的充電時(shí)間。不過，因?yàn)榘踩�的原因，相反的情形是不受推薦的。

LP3945-參數(shù)可編程的充電器

LP3945的應(yīng)用電路如圖3所示。同樣，為了減小所需的PCB空間，它使用最少數(shù)量的外部元件。用戶可以通過I2C接口與該設(shè)備進(jìn)行通信。

在工廠的默認(rèn)設(shè)置是：500 mA的 恒流電流、4.1V的終止電壓和0.1mA的 EOC電流。當(dāng)通電時(shí)，充電器使用這些默認(rèn)值，但用戶可以通過編程把它們?cè)O(shè)定成不同的值。恒流的電流范圍為500 mA 到 950mA，步進(jìn)增量為50 mA。終止電壓的選項(xiàng)是4.1 V和4.2V，EOC選項(xiàng)是0.1C、0.15C和0.2C。只要在Vbatt引腳維持與電池的連接且電池電壓高于2.85 V，那么新設(shè)定的數(shù)值將在啟動(dòng)時(shí)被用作默認(rèn)值。如果電池?cái)嚅_連接或者電池電壓降低到2.85V以下，那么在后續(xù)的充電周期中將使用工廠的默認(rèn)值。

除了可以改變電池的工作參數(shù)之外，用戶還可以通過I2C接口讀取EOC和CHG寄存器的狀態(tài)，從而查詢充電周期的狀態(tài)。

LP3945的特性在帶有(控制器的應(yīng)用中可以得到充分利用。

結(jié)論

為了給快速增長(zhǎng)的一系列便攜式產(chǎn)品供電，人們正在開發(fā)具有更寬工作溫度范圍、更高能量密度和更長(zhǎng)閑置壽命的電池。隨著我們對(duì)電池特性的理解不斷深入，電池充電技術(shù)也在持續(xù)改進(jìn)。此外，新型應(yīng)用導(dǎo)致新方法的出現(xiàn)，并創(chuàng)造新的需求。例如，從連接到PC的USB接口給電池充電。在這種應(yīng)用中，USB協(xié)議要求連接到該端口的任何設(shè)備最初必須工作在低功率模式，例如消耗的電流低于100 mA。充電過程必須從100mA電流開始，充電器的輸入電壓只能為4.5V。一旦主機(jī)與設(shè)備之間建立通信后，主機(jī)將允許高功率工作模式。這樣的應(yīng)用需要一定水平的智能，而且這種水平的智能必須由充電器或者利用充電器的系統(tǒng)提供。