便携式应用中的充电技术
（华强电子世界网讯） 当今的便携式应用对电池方面有很多特定的的要求。它们要求高能量密度来提供无限的电源（瞬时的和持续的）。它们必须重量轻且体积小。电池必须在使用时保证安全，甚至在可能的误用情况下，还要有无限的保存寿命。另外它们的成本必须尽可能降低。由于锂离子或锂聚合物电池满足这些需求中的大部分，它们已经成为当前便携式应用的首选电池。
可再充电锂离子电池的一般特性
可再充电锂离子电池在若干方面比其它电池具有优势，使得它们更适合于用作便携式应用的电源。它们提供了更高的能量密度（可高达200 Wh/kg，300-400 Wh/L）以及更高的电池电压（带碳阳极的电池为4.1V，带石墨阳极的电池为4.2V）。锂离子电池以棱柱形式提供，还具有更长的充电保持时间或保存寿命以及更长的充电周期。
锂离子电池较高的能量密度加上较高电池电压的化学特性使人们能制造出较小且较轻的电池，这类电池对于那些将较轻且较小电源作为关键要求的应用而言非常理想。但是，为了有效地利用这种电池的容量和相当长的电池寿命，需要极其严格地控制充电参数。
电池寿命的关键是选择合适的电流、电压和温度等充电参数。在充电期间所施加电压的精度对于电池的效率和寿命起到非常重要的作用。超过端接电压会导致过度充电，短期来看是增加了电池的可用能量，但是长期来看将会引起电池失效，并且可能导致安全问题。
过度充电的影响是累积性的，如图1所示。
每提高1%的充电端电压，初始容量会提高约5%。这种明显的短期提高对于电池的充电/放电周期具有严重的后果。过度充电引起的充电周期缩短如图2所示。
图1 过度充电引起的初始容量提高
另一方面，充电不足虽然不会引起安全问题，但是会大大降低电池的容量。充电不足对电池容量的影响如图3所示。
一般来说给锂离子电池充电从概念上说是非常简单的。为了了解锂离子电池充电的细微之处，图4给出了普通锂离子电池的等效电路图。电池的等效电路特征一般被看作是一个具有极高电容C及内部漏电电阻RLeakage的电容器。
图4 锂离子电池等效电路
（图中：ESR—有效串联电阻；ESL—有效串联电感）
引线与电池本身之间的电阻和电感表述为有效串联电阻（ESR）和有效串联电感（ESL）。这些参数是电池机械结构以及特定化学成分的函数。与电池相关的ESR在50到200 mW之间，而ESL在纳亨数量级。我们在文章的后面将会看到，ESR给充电周期内的精确电池电压检测带来了特别的难题。
对于锂离子电池可以采用不同的充电方法。最简单的锂离子电池充电器通常称为恒定电压（CV）充电器（见图5）。这类充电器由一个电流有限制的恒定电压源组成，该电压源连接到电池端子。电流被限制为低于电池容量，并且其输出电压被调节到电池端接电压（碳阳极电池为4.1 V，石墨阳极电池为4.2 V）。
未充电的电池将会汲取充电电源中可用的所有电流来充电。随着电池被充电，其两端的电压将提高，而充电电流将逐渐降低。当充电电流降到低于0.1C时，就认为电池被充分充电了。在充电完成时，充电器必须完全关闭或者撤除，因为对于锂离子不推荐涓流充电。为了防止有缺陷的电池无休止地遭受充电电流，采用了一个备用定时器来终止充电周期。
CV充电是一个相对节省成本的方法，但是这种方法却要求很长的电池充电时间。由于在电池充电期间充电电源电压保持恒定，充电电流降低得很快，因而充电速率也降低得很快。这样，电池就只是在比其能够接受的低得多的电流强度下进行充电。
图5 恒定电压（CV）锂离子电池充电器
（图中：30v max. …--最大 30V 直流电源，有电流限制；short for …--对石墨阳极短路，对碳阳极开路；Drive—驱动器；Power off switch—断电开关；(1 or 2 cell) …--（带 1 或 2 个电池）的锂离子蓄电池）
一个较快的方法是图6所示的恒定电流/恒定电压（CC/CV）充电。在CC/CV充电器中，充电通过施加一个等于电池电容C的恒定电流开始。在CC周期中，为了防止过度充电而监视了电池组端子的电压。当电压达到特定的端接电压时，电路切换为恒定电压电源工作模式。这时虽然电池组端子电压达到了端接电压，但由于ESR上的压降，实际上的电池电压将会低一些。
在CC充电期间，电池可以在接近其端接电压的情况下以高电流强度进行充电，不会对电池造成过高电压和过度充电的危险，这期间电池被充电到大约85%的容量。在完成CC周期之后，充电器切换到恒定电压充电周期。在CV周期中，监视充电电流来确定充电结束。就像CV充电器一样，当充电电流逐渐下降到低于电池的0.1C时，充电周期完成。图7给出了一个完整的CC/CV充电电路图。
图6 恒定电压/恒定电流（CVCC）锂离子电池充电器
虽然CC/CV充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其大大降低了充电时间，因此各种CC/CV充电方法在锂离子电池充电中占主导地位。
到目前为止，我们一直假定我们使用的电池是良好的电池。实际上并不总是这种情况。被充电的电池可能是有缺陷的，并且可能无法充电。而试图对有缺陷的电池进行快速充电可能引起危险情况。理想的充电器必须能够监测各种可能的电池故障模式并进行适当的充电。我们为了简化的原因而特意忽略的另一个因素是电池温度。在其温度超出特定温度范围的情况下，对锂离子电池进行充电是不安全的。到目前为止，充电器所必须做的就是保持对电压调节的跟踪（或者在CV/CC充电器的情况下，保持对电流和电压的跟踪）。不过如上所述，伴随更高充电器效率和更长电池寿命的是潜在的安全问题，这就需要更智能的充电操作。
图7 CC/CV充电周期
为了防止意外地将电池置于不利的条件下，各种锂离子电池组都包含某些复杂的电路。一般情况下，保护包括使电池免遭过度放电、过度充电、过高的充电及放电电流以及高电压。
在电池充电或放电周期内，如果任何参数超过了对于特定电池的限制，电池与电池端子之间的连接将会开路保护。典型情况下，当不利的条件被清除或电池被预置条件时，在延迟一段时间后，装置将被复位。
除了电子保护措施之外，电池还包含一个机械的二级过流保护装置。在电池组和电池端子之间串联地安装了一个聚合正向温度系数（PPTC）过电流保护装置。
PPTC装置通过响应过电流而从低阻状态转变为高阻状态来保护电路。这种变化是装置温度急剧升高的结果，温度升高是由于装置中根据公式I2R产生的热量引起的。
一个好的充电器设计必须能够安全而高效地确定锂离子电池对于快速充电的适宜性。下面是一些可用于支持便携式应用的充电器的例子。
独立充电器（LP3946）
LP3946是一种独立的单电池锂离子充电器，具有一个集成的传输晶体管和电流感应电阻器。除了其充电功能之外，它还可以用于低压降（LDO）模式。这种功能在制造期间特别有用，因为它无须在产品测试和性能验证时插入电池。
图8 LP3946典型应用电路
（图中：AC adapter—交流电适配器；to system supply—到系统电源）
图9 CC/CV充电周期
（图中：Prequalification …--从条件预审到快速充电的转换；CC to CV transition—CC 到 CV 转换；battery voltage—电池电压；battery current—电池电流；charge current—充电电流；end of charge current …--充电结束电流 0.1C（默认）；Time—时间）
LP3946的工作可以利用图11中所示的流程图很好地说明。
充电周期从插入墙面适配器开始。验证输入电压，若其在允许范围内，充电器将启动电池条件检验过程。在这个阶段，一个电流源在电池端子上施加50 mA电流并同时监视电压。如果电池两端的电压高于3.0 V，说明电池情况良好，则通过施加一个恒定电流开始恒定电流周期。电流幅度是电池容量的函数，并且依照电池制造商的推荐。典型的充电电流为1C，不过某些电池要求较低的充电电流。
可以在差分放大器（Diff-Amp）输出得到充电电流的模拟表示。差分放大器输出也表示了LDO工作模式下的电流。为了防止单电源系统在临近接地工作时的精度误差，差分放大器的输出偏移了0.5V。
图10 充电电流感应电路
（图中：diff-amp output—差分放大器输出；charge current—充电电流）
为了方便使用并减少外部元件数量，对LP3946的快速充电电流进行了厂内设定来满足客户要求。恒定电流源也可以在厂内以50 mA的步幅设置为从500 mA到950 mA的任意值。其它可厂内预设置的参数包括端接电压4.1或4.2V以及充电结束电流0.1C、0.15C或0.2C。
在恒定电流周期内，对电池
可再充电锂离子电池的一般特性
可再充电锂离子电池在若干方面比其它电池具有优势，使得它们更适合于用作便携式应用的电源。它们提供了更高的能量密度（可高达200 Wh/kg，300-400 Wh/L）以及更高的电池电压（带碳阳极的电池为4.1V，带石墨阳极的电池为4.2V）。锂离子电池以棱柱形式提供，还具有更长的充电保持时间或保存寿命以及更长的充电周期。
锂离子电池较高的能量密度加上较高电池电压的化学特性使人们能制造出较小且较轻的电池，这类电池对于那些将较轻且较小电源作为关键要求的应用而言非常理想。但是，为了有效地利用这种电池的容量和相当长的电池寿命，需要极其严格地控制充电参数。
电池寿命的关键是选择合适的电流、电压和温度等充电参数。在充电期间所施加电压的精度对于电池的效率和寿命起到非常重要的作用。超过端接电压会导致过度充电，短期来看是增加了电池的可用能量，但是长期来看将会引起电池失效，并且可能导致安全问题。
过度充电的影响是累积性的，如图1所示。
每提高1%的充电端电压，初始容量会提高约5%。这种明显的短期提高对于电池的充电/放电周期具有严重的后果。过度充电引起的充电周期缩短如图2所示。
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图1 过度充电引起的初始容量提高
（图中英文的翻译：capacity—容量；Discharge Termination Voltage—放电端电压；Charge Termination Voltage—充电端电压）
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图2 充电周期的缩短是过度充电的函数
（Charge/Discharge Cycles—充电/放电周期；Charge Termination Voltage—充电端接电压）
另一方面，充电不足虽然不会引起安全问题，但是会大大降低电池的容量。充电不足对电池容量的影响如图3所示。
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图3 端接电压精度对电池组容量的影响
（图中英文的翻译：Reduction in Pack Capacity—电池容量的降低；Electronic’s Total Error—充电总误差）
一般来说给锂离子电池充电从概念上说是非常简单的。为了了解锂离子电池充电的细微之处，图4给出了普通锂离子电池的等效电路图。电池的等效电路特征一般被看作是一个具有极高电容C及内部漏电电阻RLeakage的电容器。
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图4 锂离子电池等效电路
（图中：ESR—有效串联电阻；ESL—有效串联电感）
引线与电池本身之间的电阻和电感表述为有效串联电阻（ESR）和有效串联电感（ESL）。这些参数是电池机械结构以及特定化学成分的函数。与电池相关的ESR在50到200 mW之间，而ESL在纳亨数量级。我们在文章的后面将会看到，ESR给充电周期内的精确电池电压检测带来了特别的难题。
对于锂离子电池可以采用不同的充电方法。最简单的锂离子电池充电器通常称为恒定电压（CV）充电器（见图5）。这类充电器由一个电流有限制的恒定电压源组成，该电压源连接到电池端子。电流被限制为低于电池容量，并且其输出电压被调节到电池端接电压（碳阳极电池为4.1 V，石墨阳极电池为4.2 V）。
未充电的电池将会汲取充电电源中可用的所有电流来充电。随着电池被充电，其两端的电压将提高，而充电电流将逐渐降低。当充电电流降到低于0.1C时，就认为电池被充分充电了。在充电完成时，充电器必须完全关闭或者撤除，因为对于锂离子不推荐涓流充电。为了防止有缺陷的电池无休止地遭受充电电流，采用了一个备用定时器来终止充电周期。
CV充电是一个相对节省成本的方法，但是这种方法却要求很长的电池充电时间。由于在电池充电期间充电电源电压保持恒定，充电电流降低得很快，因而充电速率也降低得很快。这样，电池就只是在比其能够接受的低得多的电流强度下进行充电。
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图5 恒定电压（CV）锂离子电池充电器
（图中：30v max. …--最大 30V 直流电源，有电流限制；short for …--对石墨阳极短路，对碳阳极开路；Drive—驱动器；Power off switch—断电开关；(1 or 2 cell) …--（带 1 或 2 个电池）的锂离子蓄电池）
一个较快的方法是图6所示的恒定电流/恒定电压（CC/CV）充电。在CC/CV充电器中，充电通过施加一个等于电池电容C的恒定电流开始。在CC周期中，为了防止过度充电而监视了电池组端子的电压。当电压达到特定的端接电压时，电路切换为恒定电压电源工作模式。这时虽然电池组端子电压达到了端接电压，但由于ESR上的压降，实际上的电池电压将会低一些。
在CC充电期间，电池可以在接近其端接电压的情况下以高电流强度进行充电，不会对电池造成过高电压和过度充电的危险，这期间电池被充电到大约85%的容量。在完成CC周期之后，充电器切换到恒定电压充电周期。在CV周期中，监视充电电流来确定充电结束。就像CV充电器一样，当充电电流逐渐下降到低于电池的0.1C时，充电周期完成。图7给出了一个完整的CC/CV充电电路图。
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图6 恒定电压/恒定电流（CVCC）锂离子电池充电器
虽然CC/CV充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其大大降低了充电时间，因此各种CC/CV充电方法在锂离子电池充电中占主导地位。
到目前为止，我们一直假定我们使用的电池是良好的电池。实际上并不总是这种情况。被充电的电池可能是有缺陷的，并且可能无法充电。而试图对有缺陷的电池进行快速充电可能引起危险情况。理想的充电器必须能够监测各种可能的电池故障模式并进行适当的充电。我们为了简化的原因而特意忽略的另一个因素是电池温度。在其温度超出特定温度范围的情况下，对锂离子电池进行充电是不安全的。到目前为止，充电器所必须做的就是保持对电压调节的跟踪（或者在CV/CC充电器的情况下，保持对电流和电压的跟踪）。不过如上所述，伴随更高充电器效率和更长电池寿命的是潜在的安全问题，这就需要更智能的充电操作。
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图7 CC/CV充电周期
（图中：low-volt threshold—低压阈值；Wake up mode—唤醒模式；Constant-current mode—恒定电流模式；constant-voltage mode—恒定电压模式）
为了防止意外地将电池置于不利的条件下，各种锂离子电池组都包含某些复杂的电路。一般情况下，保护包括使电池免遭过度放电、过度充电、过高的充电及放电电流以及高电压。
在电池充电或放电周期内，如果任何参数超过了对于特定电池的限制，电池与电池端子之间的连接将会开路保护。典型情况下，当不利的条件被清除或电池被预置条件时，在延迟一段时间后，装置将被复位。
除了电子保护措施之外，电池还包含一个机械的二级过流保护装置。在电池组和电池端子之间串联地安装了一个聚合正向温度系数（PPTC）过电流保护装置。
PPTC装置通过响应过电流而从低阻状态转变为高阻状态来保护电路。这种变化是装置温度急剧升高的结果，温度升高是由于装置中根据公式I2R产生的热量引起的。
一个好的充电器设计必须能够安全而高效地确定锂离子电池对于快速充电的适宜性。下面是一些可用于支持便携式应用的充电器的例子。
独立充电器（LP3946）
LP3946是一种独立的单电池锂离子充电器，具有一个集成的传输晶体管和电流感应电阻器。除了其充电功能之外，它还可以用于低压降（LDO）模式。这种功能在制造期间特别有用，因为它无须在产品测试和性能验证时插入电池。
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图8 LP3946典型应用电路
（图中：AC adapter—交流电适配器；to system supply—到系统电源）
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图9 CC/CV充电周期
（图中：Prequalification …--从条件预审到快速充电的转换；CC to CV transition—CC 到 CV 转换；battery voltage—电池电压；battery current—电池电流；charge current—充电电流；end of charge current …--充电结束电流 0.1C（默认）；Time—时间）
LP3946的工作可以利用图11中所示的流程图很好地说明。
充电周期从插入墙面适配器开始。验证输入电压，若其在允许范围内，充电器将启动电池条件检验过程。在这个阶段，一个电流源在电池端子上施加50 mA电流并同时监视电压。如果电池两端的电压高于3.0 V，说明电池情况良好，则通过施加一个恒定电流开始恒定电流周期。电流幅度是电池容量的函数，并且依照电池制造商的推荐。典型的充电电流为1C，不过某些电池要求较低的充电电流。
可以在差分放大器（Diff-Amp）输出得到充电电流的模拟表示。差分放大器输出也表示了LDO工作模式下的电流。为了防止单电源系统在临近接地工作时的精度误差，差分放大器的输出偏移了0.5V。
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图10 充电电流感应电路
（图中：diff-amp output—差分放大器输出；charge current—充电电流）
为了方便使用并减少外部元件数量，对LP3946的快速充电电流进行了厂内设定来满足客户要求。恒定电流源也可以在厂内以50 mA的步幅设置为从500 mA到950 mA的任意值。其它可厂内预设置的参数包括端接电压4.1或4.2V以及充电结束电流0.1C、0.15C或0.2C。
在恒定电流周期内，对电池