摘要

　　雖然更高的電池容量延長了設(shè)備的使用時(shí)間,，但如何縮短充電時(shí)間,，這給設(shè)計(jì)人員帶來了額外的挑戰(zhàn)?？焖俪潆娺m用于廣泛的設(shè)備,，包括消費(fèi)電子,、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。本文分為兩部分,，概要介紹與實(shí)現(xiàn)電池快速充電功能相關(guān)的挑戰(zhàn),。第1部分探討在主機(jī)和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高系統(tǒng)的靈活性,、盡可能降低功耗,，并提升用戶的總體體驗(yàn)。此外,，還介紹設(shè)備包含的監(jiān)測功能,，確保實(shí)現(xiàn)安全充電和放電。第2部分探討使用并聯(lián)電池實(shí)現(xiàn)快速充電系統(tǒng),。

　　簡介

　　在如今這個(gè)移動(dòng)設(shè)備當(dāng)?shù)赖臅r(shí)代,，電池壽命是影響用戶體驗(yàn)的主要因素之一。在設(shè)備內(nèi)部集成省電技術(shù)非常重要,，但這只是解決方案的一部分。隨著移動(dòng)設(shè)備的功能不斷增多,，其對電力的要求也不斷提高,，原始設(shè)備制造商（OEM）也嘗試大幅提高電池容量，以此延長電池的使用壽命,。

　　例如,，1S2P（1個(gè)電池串聯(lián)，2個(gè)電池并聯(lián)）這類架構(gòu)開始風(fēng)行,，通過使用兩個(gè)并聯(lián)電池來提高總電池容量,。提高電池容量帶來的問題就是充電時(shí)間隨之延長。為了盡可能縮短充電時(shí)間,，電池技術(shù)不斷改善,，將充電電流從2C增大到3C或6C（也就是說，xC是1小時(shí)內(nèi)通過電池的額定電流的x倍）,。例如,，2000 mAh電池在不對電池可靠性產(chǎn)生不利影響的情況下，會(huì)消耗最高12 A充電電流,。

　　對于高電流需要特別注意,，確保安全充電和放電。將電池并聯(lián)使用時(shí),，開發(fā)人員還需要考慮電阻和初始容量的不匹配,。在本系列文章的第1部分，我們概要介紹在所有類型的設(shè)備中提供電池快速充電功能時(shí)遇到的挑戰(zhàn),，包括消費(fèi)電子,、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用,。

　　我們還將探討如何為高性能1S2P電池充電，如何在主機(jī)和電池包之間分隔充電器和電量表,，以提高系統(tǒng)的靈活性,，盡可能降低功耗，并改善整體用戶體驗(yàn),。

　　充電器基礎(chǔ)知識(shí),，以及為何電量計(jì)位置分區(qū)非常重要

　　電池充電系統(tǒng)的關(guān)鍵元件包括充電器本身，以及報(bào)告電池指標(biāo)的電量計(jì),，例如電池的充電狀態(tài)（SOC）,、剩余電量使用時(shí)間和電池充滿所需時(shí)間。電量計(jì)可以集成在主機(jī)端,，或者集成在電池包中（參見圖1）,。

　　圖1.電池電量計(jì)可以集成在主機(jī)端，或集成在電池包中,。

　　集成在電池包中時(shí),，電量計(jì)需要使用非易失性存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)電池信息。電源路徑中的MOSFET監(jiān)測充電/放電電流,，保護(hù)電池免于遭受危險(xiǎn)狀況,。MAX17330是ADI公司提供的電池電量計(jì)，內(nèi)置保護(hù)電路和電池充電器功能（參見圖2）,。

　　圖2.包含充電MOSFET調(diào)節(jié)功能的電量計(jì)框圖,。

　　圖3.高壓/高電流快速充電系統(tǒng)框圖。

　　充電MOSFET可以精細(xì)調(diào)節(jié),，以實(shí)現(xiàn)線性充電器,，在充電電源限制為5 V，充電電流在500 mA范圍內(nèi)時(shí),，該器件可以獨(dú)立使用,。由于鋰電池在99%充電曲線中的充電電壓都超過3.6V，因此功耗受到限制,。

　　在充電器前面連接降壓轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)其輸出電壓,，這樣就可使用高壓充電電源和高充電電流（參見圖3）。同時(shí)還可以充分減少壓降,，從而降低充電MOSFET的功耗（參見圖4）,。

　　圖4.使用降壓轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)輸出電壓，以高效實(shí)現(xiàn)10 A充電電流,。圖中所示的是MAX20743降壓轉(zhuǎn)換器,，VIN = 12 V。

　　在電池包中集成電量計(jì)會(huì)使電池變得智能，能夠用于先進(jìn)充電場景,，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)充電功能,。例如，電量計(jì)可在其非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)適合電池包中電池的充電曲線參數(shù),。因此無需通過主機(jī)微控制器單元（MCU）充電?，F(xiàn)在，主機(jī)MCU僅需管理來自電池包的ALRT信號(hào),，根據(jù)收到的警報(bào)類型增大/降低降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,。

　　CP：熱限制 → 降低電壓。

　　CT：MOSFET溫度限制 → 降低電壓,。

　　壓差：→ 增大電壓,。

　　CP是一種標(biāo)志，當(dāng)流經(jīng)保護(hù)MOSFET的電流影響散熱性能時(shí),，該標(biāo)志置位,。CT是一種標(biāo)志，在MOSFET溫度過高時(shí)置位,。熱限制和MOSFET限制設(shè)置使用nChgCfg1寄存器組進(jìn)行配置,。

　　可編程降壓轉(zhuǎn)換器（例如MAX20743）使用PMBus^?來精細(xì)調(diào)節(jié)輸出電流。降壓轉(zhuǎn)換器中的集成式MOSFET支持高達(dá)10 A的充電電流,。此外,，由于PMBus使用I2C作為其物理層，可以使用單個(gè)I2C總線來管理降壓轉(zhuǎn)換器和電量計(jì),。

　　以下示例展示一種為單個(gè)3.6 V鋰電池充電的方式。圖5顯示充電系統(tǒng)中電壓和電流的時(shí)域形狀,。具體來說,，該圖顯示了電池電壓、電池電流和降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,。

　　圖5.單個(gè)電池快速給3.6 V鋰電池充電,。

　　可以看出，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出（VPCK）設(shè)置為高于電池電壓50 mV,。該輸出電壓會(huì)持續(xù)增大,，以免造成壓差，且盡可能降低總功耗,。

　　電池安全管理

　　由于快速充電期間的電流很高,，OEM必須要確保安全充電。因此,，作為整個(gè)電池管理的一部分,，智能快速充電器必須能夠監(jiān)測多個(gè)重要參數(shù)。例如,，在根據(jù)電池制造商規(guī)格和建議監(jiān)測電池溫度和環(huán)境/室溫的情況下,，快速充電器可以確定何時(shí)降低充電電流和/或降低端電極電壓,，以確保電池安全，延長電池的使用壽命,。

　　可以根據(jù)溫度調(diào)節(jié)電壓和電流,，以符合六區(qū)JEITA溫度設(shè)置要求（參見圖6），且基于電池電壓進(jìn)行三區(qū)步進(jìn)充電,。

　　圖6.6區(qū)JEITA溫度范圍,。

　　使用步進(jìn)充電曲線，根據(jù)電池電壓改變充電電流,，可以進(jìn)一步延長電池的使用壽命,。圖7顯示使用3個(gè)充電電壓和3個(gè)相應(yīng)的充電電流的步進(jìn)充電曲線?？梢酝ㄟ^狀態(tài)機(jī)來管理各級(jí)之間的轉(zhuǎn)換（參見圖7）,。

　　圖7.步進(jìn)充電曲線，使用狀態(tài)機(jī)來管理各級(jí)之間的轉(zhuǎn)換,。

　　注意,，電流、電壓和溫度都是相互關(guān)聯(lián)的（參見表1和表2）,。

　　并聯(lián)充電

　　多電池并聯(lián)充電需要額外管理,。例如，當(dāng)兩個(gè)電池的電壓相差超過400 mV時(shí),，充電器必須防止出現(xiàn)交叉充電,。只有當(dāng)最低電池電量太低，無法支持系統(tǒng)負(fù)載時(shí),，才容許在有限的時(shí)間里進(jìn)行交叉充電（參見表3和圖8）,。

　　在本系列文章的第2部分，我們將探討使用評估套件和樹莓派板,，使用并聯(lián)電池實(shí)現(xiàn)快速充電系統(tǒng),。

　　圖8.為了防止交叉充電，當(dāng)電池ΔV >400 mV,，會(huì)阻止電壓更高的電池放電,。

　　結(jié)論

　　將充電和電量計(jì)功能從主機(jī)端移動(dòng)到電池包一端，可以單獨(dú)控制1S2P配置中的每個(gè)電池,。因此不需要由主機(jī)MCU完全管理充電,，而是智能充電器本身根據(jù)優(yōu)化充電曲線來管理其輸出。由于主機(jī)端的管理只是管理電量計(jì)生成的ALRT信號(hào),，所以系統(tǒng)能夠輕松采用不同的電池包,。

　　必要時(shí)，智能充電器還可以阻止充電和放電，以防出現(xiàn)交叉充電,。這種方法無需考慮電池不匹配問題,，提高了典型快速充電系統(tǒng)的靈活性。借助快速電池充電技術(shù),，除了簡化設(shè)計(jì)和整個(gè)充電流程之外,，OEM還可以充分降低功耗，確保廣泛應(yīng)用的充電和放電安全,，并改善用戶體驗(yàn),。

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