提高便攜式設(shè)備鋰離子電池的充電效率

　　功能整合以及不斷縮小的外形尺寸在過去幾年風(fēng)靡一時，進而帶動手機、PDA、以及便攜式 DVD 播放器等便攜式設(shè)備的市場需求大幅增長。然而電源卻很快成為技術(shù)進步的瓶頸，電池供電密度的提升腳步也無法跟上需求的節(jié)拍。鋰離子 (Li-ION) 電池?zé)o論就重量還是體積而言都有很高的能量密度，因此在市場上應(yīng)用極為廣泛。為了延長系統(tǒng)運行時間并縮小外形尺寸，越來越多的系統(tǒng)設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)利用先進的電路拓撲結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換效率的做法已無法解決問題，電池充電已成為擴大電池容量和延長電池使用壽命的另一重要方案。線性充電器的成本合理、外形尺寸小巧，非常適用于低容量電池充電的應(yīng)用；但隨著便攜式設(shè)備對功耗要求的不斷提高，由于線性電池充電器功耗較高，因此已不能充分滿足充電需求。本文將介紹一款 MHz 同步開關(guān)電池充電器，并說明有效充電并延長電池使用壽命的設(shè)計考慮事項。

　　鋰離子電池的充電

　　圖 1 是業(yè)界最常用的鋰離子電池的充電曲線，大部分專用的鋰離子電池充電集成電路 (IC) 都是通過上述方式進行充電。鋰離子電池的充電過程可分為三個階段：預(yù)充電、恒流 (CC) 快速充電、和恒壓 (CV) 終端 (termination) 充電。充電器在預(yù)充電階段會以低速率（通常為快速充電速率的1/10）對電池進行充電，這時的電池電壓低于 3.0V。這樣可以實現(xiàn)對鈍化層的恢復(fù)（鈍化層在深度放電狀態(tài)下存儲時間過長會分解）。除此之外，當(dāng)電池過度放電時在陽極短路的電池上會發(fā)生部分銅分解，此時若以 1C 電流進行充電就會導(dǎo)致電池過熱，預(yù)充電階段則能避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。等到電池電壓達到 3.0V 后，充電器就會進入恒流快速充電階段。

　　快速充電電流不應(yīng)超過 1C 速率（0.7℃ 速率）以避免電池過熱及因而造成的加速劣化現(xiàn)象。不過，為高功率容量設(shè)計的電池則可承受較高的充電速率。應(yīng)當(dāng)合理選擇充電速率，以保證電池溫度在充電結(jié)束時不超過 50℃。在進入快速充電階段后，電池會持續(xù)快速充電直到電池達到穩(wěn)壓限制值（每節(jié)電池通常為 4.2V，不過碳陽極鋰離子電池為 4.1V）。然后，在充電電流以指數(shù)方式降低到預(yù)定義終端電平時，電池充電器開始調(diào)節(jié)電池電壓并且進入 CV 階段。輸出穩(wěn)壓精度對于電池容量最大化和延長電池使用壽命都很重要。電池穩(wěn)壓精度太差有可能會導(dǎo)致電池充電不足，使得電池容量銳減。例如充電電壓不足 1% 電壓就會導(dǎo)致電池容量減少 8%。另一方面，電池穩(wěn)壓精度太差也可能導(dǎo)致電池過度充電從而縮短電池使用壽命。為了確保鋰離子電池的充電安全，開始充電時的環(huán)境溫度必須在 0℃ 到 45℃ 之間。在更低溫度下進行充電會形成更多金屬鋰，這會導(dǎo)致電池阻抗增加與電池劣化。另一方面，在較高溫度下進行充電則會增加鋰離子與電解液的反應(yīng)而加速電池劣化。這些問題促使市場需要更精確、更高效、和更安全的便攜式設(shè)備電池充電解決方案。