中心議題：

• 充電需求分析
• 介紹專用充電IC
• 使用微控製器充電

解決方案：

• 單芯鋰化學電池選擇專用的線性或最低功能的開關模式充電控製器
• 電池是一至三芯采用專用的開關模式充電控製器

要點

鋰化學電池芯類型有較好的體積與重量能量密度
，優於其它現有的商用可充電電池芯。設計者一般采用專用充電控製IC,實現單芯電池的充電。鋰化學電池芯的充電要求充電器同時控製充電電流和電池電壓。為減少電流的需求，用於電動汽車、大型係統備份電源以及其它大功率需求的電池設計者采用大串聯數量的電池芯堆。很多微控製器都有內置ADC、信號調整以及PWM控製
，可用於電池充電控製設計。　　

電池充電器的設計者要麵臨一個基本的選擇：是使用有很多供應商能夠提供、有豐富選擇的專用充電控製IC,還是使用可編程控製器。由於電池充電控製是一個緩慢的過程，可以用廉價的微控製器及其嵌入ADC、信號調整以及PWM模塊，直接控製充電器的功率轉換電路。也可以用一隻微控製器做充電器與電池管理係統之間的通信和交互，如在智能充電器中
；可以將微控製器用於靈活的用戶接口
，如充電狀態顯示器中；可以將其用於電池調節控製；還可以用於其它靈活特性中。不過與采用專用充電控製IC的充電器相比，微控製器電路與固件的設計與測試通常更昂貴，產生成本也更高。　　

充電需求　　

大多數最新的電池充電器設計是針對鋰化學電池。它們包括：鋰離子
、鋰聚合物
、磷(lin)酸(suan)鐵(tie)鋰(li)，以(yi)及(ji)相(xiang)關(guan)的(de)電(dian)池(chi)類(lei)型(xing)，比(bi)其(qi)它(ta)商(shang)用(yong)的(de)可(ke)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)有(you)更(geng)高(gao)的(de)體(ti)積(ji)和(he)重(zhong)量(liang)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)。因(yin)此(ci)它(ta)們(men)很(hen)適(shi)合(he)用(yong)於(yu)便(bian)攜(xie)式(shi)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)
，如(ru)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)；便攜計算與通信設備（智能手機、PDA、平板電腦以及筆記本電腦）；軍用計算機輔助戰鬥係統；以及醫療參數監控器。鎳化學電池仍在使用中
，但正在被鋰化學電池快速取代。　　

為鋰化學電池充電要求充電器能同時控製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。當電池降到這個小電流值時，充電器關閉（圖1）。yuniehuaxuedianchiheqianhuaxuedianchibutongdeshi，lihuaxuedianchitongchangzaichongdianjieshuhoumeiyoujuanliuchongdian。shijishang，zaichongdianjieshuhourengweichixiaodianliuhuisunhuaimouxielidianchixin。
 

圖1,當電池芯達到浮充電壓時，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。當電池達到小電流時，充電器關閉　　

使用標準的CC/CV算法就可以對一個鋰化學電池的充電時間做出近似的估計，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。通過正確的設計和對CC/CV模式算法的智能調整，可以得到更接近的計算值，但前者是一個良好的開始。另外
，如果因為不良設計或不精確的電池電壓測量，使CC到CV模式的轉換開始太早
，那情況就會糟得多。　　

鋰(li)化(hua)學(xue)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)的(de)最(zui)低(di)要(yao)求(qiu)是(shi)
，它(ta)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)同(tong)時(shi)控(kong)製(zhi)進(jin)入(ru)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)流(liu)，以(yi)及(ji)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)端(duan)子(zi)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)。從(cong)安(an)全(quan)考(kao)慮(lv)，大(da)多(duo)數(shu)鋰(li)化(hua)學(xue)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)都(dou)會(hui)在(zai)電(dian)池(chi)溫(wen)度(du)過(guo)高(gao)或(huo)過(guo)低(di)時(shi)中(zhong)斷(duan)充(chong)電(dian)。很(hen)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)
，當(dang)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)低(di)到(dao)安(an)全(quan)地(di)恢(hui)複(fu)一(yi)個(ge)過(guo)放(fang)電(dian)電(dian)池(chi)時(shi)
，充(chong)電(dian)器(qi)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)。　　

鋰化學電池芯結構的標準簡稱是NSMP,即N個芯串聯/Mgexinbinglian。zaishejiyikuanchongdianqishi，jizhuchuanlianshuzuiguanjian，yinweitajuedingledianchidianya。binglianshujuedingledianchirongliang，zhiyouzaimouzhongchongdiandianliuxiajisuanchongdianshijianshi
，caihuiyongdaota。　　

電池充電器的轉換效果正在成為一個關鍵問題
，因為美國能源部（DOE）和其它國家監管機構都在逐漸推出這方麵的規定。隨著這些新規定的生效

，高效率將成為主要的轉換器類型選擇標準。
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專用充電IC　　

所有專用的充電控製IC都是將一個直流輸入電壓（一般是來自一個AC/DC電源）轉換為所需要的電流和電壓
，供電池充電。多數針對鋰電池的專用充電IC都支持前述的需求：CC與CV模式控製、電池溫度使能/禁用
，以及減少電流的低壓電池恢複。這類IC的例子很多
，如TI公司提供約160種器件；淩力爾特技術公司有大約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，如飛兆半導體公司

、Analog Devices、飛思卡爾、Micrel、安森美半導體公司，以及Torex半導體公司。　　

在選擇專用充電控製IC時
，通常要從幾方麵著手：電池化學特性；串聯電池芯的數量，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IC供應商的網站上都有參數化選擇工具
，能夠縮小你的選擇範圍。　　

幾乎所有專用充電控製IC都采用了降壓型轉換器，即輸入電壓高於最大電池電壓。少量IC支持降壓/升壓型電壓轉換。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。　　

專用充電控製IC可分為兩大類： 線性轉換器和開關模式轉換器。線性轉換器的充電電流通常小於1A,隻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、風扇或類似高成本散熱裝置
，轉換器的功率損失也會變得不可控製。然而

，線性轉換器的特點就是廉價、小型及易於設計（圖2）。
 

圖2, 線性轉換器價格便宜

，體積小，並且易於設計　　

開關模式轉換器的設計與實現要更複雜
，但可以支持幾乎無限的I/O電(dian)壓(ya)與(yu)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)。現(xian)代(dai)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)工(gong)作(zuo)在(zai)很(hen)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)小(xiao)型(xing)外(wai)接(jie)電(dian)感(gan)和(he)瓷(ci)片(pian)電(dian)容(rong)，這(zhe)就(jiu)使(shi)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)做(zuo)得(de)小(xiao)而(er)簡(jian)單(dan)。用(yong)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)替(ti)代(dai)線(xian)性(xing)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，可(ke)獲(huo)得(de)更(geng)高(gao)的(de)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)（圖3）。
 

圖3,現代開關模式轉換器工作在很高的開關頻率上，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

使用微控製器　　

現在，你也許奇怪，為什麼不在所有情況下都選擇專用充電控製IC,以取代微控製器所要做的昂貴嵌入固件開發以及電路設計工作。很多微控製器有內置ADC
、信號調整以及PWM控製

，這些都是電池充電控製設計的要求。例如來自Cypress公司的PSoC係列，TI公司的MSP430係列，Microchip公司的PIC處理器，以及Atmel公司的AVR處理器，等等。　　

你可以用一隻廉價、功(gong)耗(hao)較(jiao)小(xiao)的(de)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)設(she)計(ji)一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)控(kong)製(zhi)器(qi)，因(yin)為(wei)充(chong)電(dian)控(kong)製(zhi)不(bu)同(tong)於(yu)一(yi)般(ban)的(de)電(dian)源(yuan)控(kong)製(zhi)，它(ta)因(yin)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)化(hua)學(xue)特(te)性(xing)而(er)較(jiao)緩(huan)慢(man)。在(zai)電(dian)池(chi)裏(li)，除(chu)了(le)觸(chu)發(fa)保(bao)護(hu)以(yi)外(wai)，沒(mei)有(you)什(shen)麼(me)是(shi)在(zai)幾(ji)百(bai)毫(hao)秒(miao)時(shi)間(jian)內(nei)發(fa)生(sheng)的(de)，而(er)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)從(cong)來(lai)不(bu)會(hui)觸(chu)發(fa)保(bao)護(hu)。因(yin)此(ci)，軟(ruan)件(jian)實(shi)現(xian)的(de)控(kong)製(zhi)循(xun)環(huan)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)於(yu)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)控(kong)製(zhi)。隻(zhi)需(xu)要(yao)幾(ji)百(bai)行(xing)C代碼，就可以為鋰離子電池實現CC/CV協議充電控製。　　

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；大多數現有微控製器都集成了這些部件。這些處理器通常還帶有I 2C或SMbus（係統管理總線）接口，可用於需要與電量表做通信的設計。　　

各(ge)家(jia)供(gong)應(ying)商(shang)都(dou)發(fa)布(bu)了(le)大(da)量(liang)說(shuo)明(ming)文(wen)檔(dang)，描(miao)述(shu)如(ru)何(he)將(jiang)自(zi)己(ji)產(chan)品(pin)用(yong)做(zuo)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)控(kong)製(zhi)器(qi)。有(you)些(xie)甚(shen)至(zhi)提(ti)供(gong)了(le)這(zhe)種(zhong)應(ying)用(yong)的(de)評(ping)估(gu)係(xi)統(tong)，可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)你(ni)開(kai)始(shi)做(zuo)電(dian)路(lu)和(he)固(gu)件(jian)設(she)計(ji)。很(hen)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)，基(ji)於(yu)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)充(chong)電(dian)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)設(she)計(ji)與(yu)生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)要(yao)高(gao)於(yu)采(cai)用(yong)專(zhuan)用(yong)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)設(she)計(ji)。但(dan)為(wei)什(shen)麼(me)還(hai)要(yao)花(hua)這(zhe)些(xie)錢(qian)
，攤(tan)這(zhe)些(xie)麻(ma)煩(fan)事(shi)呢(ne)？　　

單芯電池　　

為單芯電池充電需要最簡單的充電控製設計。現在有大量的專用充電控製IC,可以處理高達3A的充電電流，有內置開關MOSFET,幾乎不需要外接元件。采用5V直流
、最大500mA,通過USB接口的充電設計正日益流行。單串聯電芯電池幾乎都使用這種方案，並且可以為這種應用選擇專用線性IC和開關模式控製IC.　　
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單芯充電算法通常不需要電池與充電器之間的通信。因此，設計者一般會用專用的充電控製IC來實現單芯電池充電器。這些例子包括手機充電器
、剃須刀充電器，以及智能手機和平板電腦的充電座。這些便攜設備的核心電壓足夠低
，一塊單芯鋰化學電池芯就可以提供出最低3V輸入電壓。很多這些設備可以用USB電源充電。　　

但(dan)在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)，多(duo)槽(cao)充(chong)電(dian)器(qi)更(geng)適(shi)合(he)於(yu)應(ying)用(yong)。這(zhe)些(xie)情(qing)況(kuang)包(bao)括(kuo)醫(yi)療(liao)與(yu)軍(jun)事(shi)應(ying)用(yong)
，這(zhe)時(shi)某(mou)個(ge)中(zhong)心(xin)場(chang)所(suo)總(zong)要(yao)充(chong)多(duo)塊(kuai)電(dian)池(chi)。微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)經(jing)常(chang)可(ke)以(yi)控(kong)製(zhi)一(yi)個(ge)以(yi)上(shang)的(de)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)槽(cao)
，因(yin)為(wei)充(chong)電(dian)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)很(hen)慢(man)。微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)對(dui)多(duo)槽(cao)的(de)控(kong)製(zhi)能(neng)力(li)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)一(yi)種(zhong)量(liang)產(chan)的(de)成(cheng)本(ben)優(you)勢(shi)，但(dan)也(ye)使(shi)固(gu)件(jian)複(fu)雜(za)化(hua)，使(shi)充(chong)電(dian)器(qi)更(geng)難(nan)以(yi)設(she)計(ji)與(yu)測(ce)試(shi)。MicroPower這類供應商可提供多至四槽的充電器，它用一個廉價的PSoC微控製器就足以控製。　　

二至四芯電池　　

當(dang)便(bian)攜(xie)設(she)備(bei)需(xu)要(yao)的(de)功(gong)率(lv)超(chao)過(guo)單(dan)芯(xin)鋰(li)化(hua)學(xue)電(dian)池(chi)的(de)能(neng)力(li)時(shi)，就(jiu)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)兩(liang)隻(zhi)或(huo)四(si)隻(zhi)電(dian)池(chi)芯(xin)並(bing)聯(lian)的(de)電(dian)池(chi)。為(wei)這(zhe)些(xie)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)要(yao)麵(mian)臨(lin)複(fu)雜(za)得(de)多(duo)的(de)設(she)計(ji)問(wen)題(ti)

，因(yin)為(wei)這(zhe)時(shi)有(you)電(dian)池(chi)芯(xin)的(de)均(jun)衡(heng)以(yi)及(ji)CC/CV算法調整的要求。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）xiaoyuguidingdefuchongdianya。ruguodangyizhihuoduozhidianchixindianyaguogaoqingkuangxia，chongdianqihaibuduanxiangdianchixinzhongsongrudianliu，zedianchixinjiuhuisunhuai
，suoduandianchideshouming，shenzhizaijiduanqingkuangxiachanshenganquanwenti。　　

nikeyibadianchixinjunhengdianlushejidaodianchili，tahuozheshizaimouxiedianchixinzhouweiyoufenliudianlu
，huozheshiweixuandingdedianchixinzengjiaewaidedianliu，congerbaochisuoyoudianchixindejunheng。danshi，youshihouchongdianqiyexuyaojiarudaojunhenggongzuozhong
，weishixianzheyigongneng，chongdianqibixunengyudianchiguanlixitongtongxin。zhuanyongchongdianIC一般不支持這種交互式充電控製功能，因此需要采用微控製器。　　

為了優化充電時間，應針對電池溫度
、內部電池電壓和其它參數調整充電控製的算法
，而這些參數隻有電池管理係統才知道。例如，為了優化充電時間，充電器應在CC模(mo)式(shi)下(xia)停(ting)留(liu)盡(jin)可(ke)能(neng)長(chang)的(de)時(shi)間(jian)。但(dan)是(shi)，電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)的(de)電(dian)流(liu)路(lu)徑(jing)中(zhong)有(you)時(shi)包(bao)括(kuo)一(yi)個(ge)防(fang)反(fan)接(jie)二(er)極(ji)管(guan)，阻(zu)止(zhi)了(le)充(chong)電(dian)器(qi)測(ce)到(dao)實(shi)際(ji)的(de)電(dian)池(chi)芯(xin)堆(dui)電(dian)壓(ya)。電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)測(ce)到(dao)電(dian)池(chi)中(zhong)芯(xin)堆(dui)的(de)電(dian)壓(ya)，並(bing)將(jiang)結(jie)果(guo)告(gao)知(zhi)充(chong)電(dian)器(qi)
，後(hou)者(zhe)就(jiu)可(ke)以(yi)在(zai)CC至CV模式轉換算法中使用更精確電壓，並將電池的CC模式保持更長時間。這種方案可以大大減少充電時間。　　

針對更複雜電池的充電器通常有一個狀態顯示屏，如LED條形圖或LCD.這種功能的實現通常就需要微控製器了
，因為專用的充電控製隻支持簡單的狀態顯示。　　

用於軍用或醫用複雜電池的高端充電器有時候包含了微計算機係統
，用於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防性維護和電池狀態報告。　　

高壓電池　　

為了減少對電流的要求， 電動汽車
、大型係統備份電源，以及其它大功率需求應用的電池設計者要采用大量串聯的電池芯堆。電動汽車的電池係統也支持再生刹車係統、zhudonglengqueyujiare，yijiqitaxianjindedianchiguanlixitong。zhengrudajiaxiangdaode，daliangchuanliandedianchixuyaofuzadedianchixinjunhengdianluhesuanfa。zhexiefuzaergaoyadedianchiyaoqiuyouquanjichengdedianchiguanlixitongyuchongdianxitong。jiangchongdianqiyudianchiguanlixitongzhengheweiyigexitong，tongchangxuyaoduihenduodianchiguanlixitonggongnengzuojisuanjikongzhi，yinweizhuanyongchongdiankongzhiIC太不靈活了。　　

這些複雜係統中常見的是電池車隊管理
，因此充電器/電池管理係統必須獲得和維護電池的健康和曆史信息。電動車和家用/shangyongbeifendianyuanxitongcaiyonglefenbushinengliangcunchu
，dangguojiajizhinengdianwangchengweixianshishi
，tamennengzaidianwangfengzhifuzaiguanlifangmianqidaozuoyong。zhezhongqingkuangxia，yaoqiuchongdianxitongnenggouyudianwangbianhuanqitongbu
，zheyang，dianchijiujikeyicongdianwanghuodedianneng
，yekeyiweidianwanggongneng。zhexiejichengxitongxuyaotongguochongdianqiyudianchiguanlixitongjianliwenjiandelianxi，zheyangzhinengdianwangcaikeyibaocunyouguandianchizhuangtaihexingnengdexinxi。suoyouzhexiefazhandouzhuanhuanlechongdianqidejiaose，shizhicongyigejiandandedianliukongzhidianyazhuanhuanqi
，bianweiyigefuza、計算機控製能量管理係統中的子係統。　　

做出決定　　

要為某個特定應用，決定采用的充電控製器類型
，有以下幾個步驟：如果電池是單芯鋰化學電池，充電電流小於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模式充電控製器，如TI公司的bq24100係列。如果電池是一至三芯，單體鋰化學型，充電電流小於3A,則采用專用的開關模式充電控製器

，如TI公司的bq24105或bq24170.不過，如果應用要求有充電器與電池之間的通信、先進的用戶界麵

， 或與主機之間的通信，則要考慮采用微控製器。如果電池是一至三芯，多槽鋰化學型
，充電電流小於3A,則要在使用開關模式充電控製器與能控製多個槽的微控製器兩者成本之間作出權衡。　　

對於需要3Ayishangchongdiandianliuyijisanxinyishangdedianchi，jihuzongshixuyaoshiyongdaiweikongzhiqidekaiguanmoshizhuanhuanqi
，yinweiyaohuodeanquanhezuijiachongdianshijian，chongdianqiyudianchiguanlixitongzhijianbixuyaoyoutongxin。wulundianchizhongyouduoshaodianchixin，xuyaojiluhejiaohuandianchilishixinxihezhuangkuangxinxidechongdianqiyingyongdoubixucaiyongweikongzhiqi，shenzhiweichuliqi。