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标题: 高功率便携式设备电池充电的几点注意事项（上） [打印本页]

作者: forsuccess 时间: 2015-3-22 13:13 标题: 高功率便携式设备电池充电的几点注意事项（上）

过去几十年间，便携式设备的功能和性能得到了显著提升，手机就是一个很好的实例。它们已变得更为复杂，不仅能够完成许多基本任务，而且还能像计算机一样工作。更多的功能性已经把智能手机从一种只能接打电话的设备变成了多用途便携式设备，这也使其对功耗的需求空前高涨。
　　内部电池组是存储电量并为便携式设备电路供电的主电源。电池充电器 IC 负责安全高效地为电池组充电。此外，它们还必须控制提供给系统的电源，确保在插入墙上电源时设备能正常工作。电池组需要在不影响重量与体积的情况下，不仅能存储大量电源，而且还能在短时间内完成充电。更高的充放电电流加上更小的物理尺寸，使得电池组很容易受到物理及热应力的损坏。因此，电池充电器光作为简单的独立充电器已经不够了。
　　要确保合理的充电时间和安全的充电条件，电池充电器 IC 需要具有高度的灵活性，因为它必须保证随时为系统供电，并保证为电池和系统提供适当的保护。本文不仅将探讨单体电池充电器解决方案，而且还将详细介绍小型高功率应用充电器的性能与限制。
　　单电池充电解决方案概览
　　充电电池对手机和可穿戴电子产品等电子设备都至关重要。充电电路不仅必须认真设计，而且很大程度上还取决于三大因素：电池化学成分、功率级以及系统负载。不同的电池化学成分需要不同的充电方法。应用的电源需求会直接影响充电系统的成本与尺寸。最后，必须考虑系统电源需求，明确是选择电源路径还是非电源路径。
　　锂离子电池正在成为许多便携式应用的首选，主要原因是：它们不仅能以较小的尺寸重量提供较高的容量，而且还具有低自放电与高单元电压（通常为3.6V）的特性，能够实现只有一节电池的电池组设计。虽然具有上述优点，锂离子电池也容易受到应力损坏。它们需要特别考虑充电电流、稳压、小电流充电等级以及温度监控等。
　　基本充电方法有两种：线性充电与开关模式充电。开关模式充电可在广泛的AC 适配器电压下最大限度地降低功耗，但会占用更多的板级空间，增加复杂性。此外，开关模式应用通常比相应的线性应用成本高-。线性充电器体积较小，非常适合噪声敏感型设备。不过，它们在整个充电过程中的效率没有开关模式设备那么高。
　　选择充电方法时，设计人员要根据成本、空间、材料单（BOM）数量以及效率（热负载）进行综合考虑。系统需求不同，就会有不同的电池充电器解决方案，从简单的独立充电器到也可为系统供电的嵌入式充电器都有可能。系统需求包括但不仅限于：
　　● 动态电源路径管理（DPPM）需求，可确保系统在电池电量耗尽或断开电池的情况下仍能立即开启。
　　● 电池与系统路径的低FET RDS（on），可确保合格的整体效率与散热管理。
　　● 高充电电流，不仅支持高容量电池组，而且还可缩短充电时间。
　　● 输入电压动态电源管理（DPM），支持任何适配器和／或 USB 端口限制。
　　电源要求（适配器限制）
　　目前大多数智能手机适配器都标定为 5 至 10W 的最大输出功率。图 1 是不同充电电流等级所需的 USB端口或适配器输入电源。对于 1.5A 的充电电流来说，随着电池电压从 3V 上升到最高电压，所需电源可从 3W 线性上升至 5W。对于 3A 充电速率而言，整个充电周期，输入需要提供高达 12W 的电源。在这种情况下，根据电池充电状态不同，5W 或 10W 适配器可能会毁坏，进而导致系统崩溃。为了避免这种情况发生，充电器要具有某些类型的保护功能来降低输入供电。

　　图 1.不同充电电流所需的输入电源

　　TI 的 bq24250 等电池充电器支持动态电源管理（DPM），可监控输入电压（VIN_DPM）。在正常充电过程中，如果输入电源不能支持编程的或默认的充电电流，输入电压就会下降。如果输入电压降至设计人员设定的 VIN_DPM 阈值，充电电流就会降低。这可限制输入电源的供电，避免输入电压进一步下降。该特性可在无任何硬件改变的情况下，确保 IC 兼容于具有不同电流功能的适配器。
　　充电时间
　　如前文所述，充电时间取决于电池容量和充电速率。缩短充电时间的最简单方法就是加快充电速率。不过，电池充电速率如果超过电池总容量的 80% （0.8C），就会在电池上产生应力。这会缩短电池使用寿命，可能也会损坏电池组，造成灾难性后果。TI 开发了充电周期的充电时间优化技术，与其它解决方案相比，其可在给定充电速率下缩短充电时间。锂离子电池的充电周期主要包括三个阶段：预充（小电流）、快充（恒定电流）和逐渐变弱（恒定电压）同阶段之间的过渡对许多开关模式充电器来说并不理想。图 2 重点显示了在原有充电器电路中从恒定电流过渡到恒定电压阶段的情况。电压和电流都没有太明显的变化，这种行为会在充电周期中造成时间和功率上的损失。

　　图 2：原有充电器（不支持时间优化技术）

　　TI 锂离子电池充电器用时间优化技术改善了这种不同阶段之间的过渡。图 3 显示的充电周期与图 2 采用的电池和充电条件相同。充电时间缩短了 15% 以上。在最新充电器上这种过渡要强烈得多，其在快充阶段的时间更长，而后再转换到逐渐变弱阶段。这就能让电池组以更快速度获得更多电量，从而可在不增加充电速率的情况下缩短充电时间。

　　图 3：开关模式锂离子电池充电器 电路板尺寸与 BOM 成本

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