应用好便携式电子设备的电池技术

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如今的便携式电子设备中电池技术包括电量检测算法、电池充电算法与电池充电技术等几个方面。众所周知，充电式电池化学反应有镍镉、镍氢、锂离子和锂聚合物4种程式，作为便携式电子设备来说，虽然这4种电池程式各有特点，但从能量密度与安全性角度的发展与实践可知，锂离子电池和锂聚合物电池的优势己成为小型长运行时间的设备的理想之选，比如笔记本电脑以及基于硬盘的PMP等。对便携式电子设备工程师来说，正确选择与应用好便携式电子设备中电池技术至关重要，值此本文将对此作研讨，并作应用举例分析。
　　1、关于细流充电、快速充电和稳定充电的电池充电算法
　　根据最终应用的能量需求，一个电池组可能包含最多4个锂离子或锂聚合物电池芯，其配置可有多种变化，同时带有一个主流的电源适配器：直接的适配器、USB接口或汽车充电器。除去电芯数量、电芯的配置或电源适配器类型上的差别，这些电池组都有同样的充电特性。因此它们的充电算法也一样。锂离子与锂聚合物电池最好的充电算法可以分为3个阶段：细流充电、快速充电和稳定充电。
　　1.1 细流充电
　　用于对深度放电的电芯进行充电。当电芯电压在低于大约2.8V时，用一个恒定的0.1C的电流为它充电。
　　1.2 快速充电
　　电芯电压超过细流充电的门槛时，提高充电电流进行快速充电。快速充电电流应低于1.0C。
　　1.3 稳定电压
　　在快速充电过程中，一旦电芯电压达到4.2V，稳定电压阶段就开始了。这时可通过最小充电电流或定时器或这两者的联合来中断充电。当最小电流低于大约0.07C时，可中断充电。定时器则要靠一个预设的定时器来触发中断。
　　高级的电池充电器通常带有附加的安全功能。比如，如果电芯温度超出给定窗口，通常是0℃--45℃，充电就会暂停。
　　除去某些非常低端的设备，现在市面上的锂离子/锂聚合物电池充电方案都集成或是带有外置的元件，以便按照充电特性进行充电，这不光是为了取得更佳充电效果，同时也是为了安全。
　　1.4 锂离子/聚合物电池的充电算应用举例-双输入1.2A锂电池充电器LTC4097
　　LTC4097可用于交流适配器或USB电源为单节锂离子/聚合物电池充电。图1为双输入1.2A锂电池充电器LTC4097示意图。它采用恒定电流/恒定电压算法充电，从交流适配器电源充电时，可编程充 电电流高达1.2A，而用USB电源则可高达1A，同时自动检测在每个输入端是否存在电压。该器件还提供USB限流。应用包括PDA、MP3播放器、数码 相机、轻型便携式医疗和测试设备以及大彩屏蜂窝电话。其性能特点：无需外部微控制器终止充电；输入电源自动检测和选择；通过电阻从交流适配器输入充电的可编程充电电流高达1.2A；通过电阻的可编程 USB充电电流高达1A；100%或20% USB充电电流设置；输入电源存在输出和NTC偏置（VNTC）引脚具120mA驱动能力；NTC热敏电阻输入（NTC）引脚用于温度合格的充电；预设置电池浮动电压具±0.6%的准确度；热调节最大限度地提高充电速率且无过热风LTC4097可用于交流适配器或USB电源为单节锂离子/聚合物电池充电。其采用恒定电流/恒定电压算法充电，从交流适配器电源充电时，可编程充电电流高达1.2A，而用USB电源则可高达1A，同时自动检测在每个输入端是否存在电压。该器件还提供USB限流。应用包括PDA、MP3播放器、数码 相机、轻型便携式医疗和测试设备以及大彩屏蜂窝电话。

　　2、锂离子/聚合物电池充电方案
　　锂离子/聚合物电池的充电方案对于不同数量的电芯、电芯配置以及电源类型还是不同的。目前主要有3种主要的充电方案：线性，Buck(降压)开关和SEPIC(升压与降压)开关。
　　2.1 线性方案
　　当充电器输入电压大于全充满电芯加上充足净空之后的开路电压时，最好用线性方案，特别是1.0C快速充电电流不比1A大太多时。比如，MP3播放器通常只有一个电芯，容量从700到1500mAh不等，满充开路电压是4.2V。MP3播放机的电源通常是AC/DC适配器或者是USB接口，其输出是规则的5V；这时，线性方案的充电器就是最简单、最有效率的方案。图2所示为锂离子/聚合物电池充电方案线性方案，基本结构和线性电压规整器一样。

　　线性方案的充电器应用例举-双输入Li+充电器及智能电源选择器MAX8677A MAX8677A是双输入USB/AC适配器线性充电器，内置Smart Power Selector，用于由可充电单节Li+电池供电的便携式设备。该充电器集成了电池和外部电源充电和切换负载所需的全部功率开关，因此无需外部 MOSFET。MAX8677A理想用于便携式设备，例如智能手机、PDA、便携式多媒体播放器、GPS导航设备、数码相机、以及数码摄像机。

　　MAX8677A可以工作于独立的USB和AC适配器电源输入下或两个输入中的任意一个输入下。当连接外部电源时，智能电源选择器允许系统不连接电池或可以与深度放电电池连接。智能电源选择器自动将电池切换到系统负载，使用系统未利用的输入电源部分为电池充电，充分利用有限的USB和适配器输入电源。所有需要的电流检测电路，包括集成的功率开关，均集成于片上。DC输入电流限最高可调节至2A，而DC和USB输入均可支持100mA、500mA和USB挂起模式。充电电流可调节至高达1.5A，从而支持 宽范围的电池容性。MAX8677A的其他特性包括热调节、过压保护、充电状态和故障输出、电源好监视、电池热敏电阻监视、以及充电定时器。MAX8677A采用节省空间的、热增强型、4mm×4mm、24引脚的TQFN封装，规定工作于扩展级温度范围(-40～+85℃)。
　　2.2 Buck(降压)开关方案
　　当1.0C充电的电流大于1A，或者输入电压比电芯的全充满开路电压高很多时，Buck或者降压方案就是一个更好的选择。比如，在基于硬盘的PMP中，通常使用单芯锂离子电池，全充满开路电压是4.2V，容量从1200到2400mAh不等。而现在PMP通常是用汽车套件来充电，它的输出电压在9V到16V之间。在输入电压和电池电压之间比较高的电压差(最小4.8V)会让线性方案降低效率。这种低效率，加上大于1.2A的1C快速充电电流，会产生严重的散热问题。为避免这种情况，就要采用Buck方案。图3为锂离子/聚合物电池Buck充电器方案示意图，基本结构同Buck(降压)开关电压调节器完全相同。

　　2.3 SEPIC(升压与降压)开关方案
　　在某些使用3个甚至4个锂离子/聚合物电芯串联的设备中，充电器的输入电压就不总是大于电池电压。比如，笔记本电脑使用3芯锂离子电池组，满充开路电压是12．6V(4．2V x3)，容量从1800mAh到3600mAh。输入电源要么是输出电压1 6V的AC/DC适配器，要么是汽车套件，输出电压在9V到16V之间。很显然地，线性和Buck方案都不能为这组电池组充电。这就要用上SEPIC方案，它能在输出电压高于电池电压时工作，也能在输出电压低于电池时工作。

        3、电量检测算法
　　许多可携式产品都利用电压测量值来估计电池剩馀电量，但是电池电压与剩馀电量的关系却会随著放电率、温度和电池老化程度而改变，使这种方法的误差率最高可达50％。市场对使用时间更长的产品需求不断增强，因此系统设计人员需要更加精确的解决方案。使用电量检测计吧来测量电池充人或消耗的电量，将能够在很宽的应用电源级别范围内提供更精确的电池电量估测。
　　3.1 电量检测算法应用举例之一，功能完整的单/双电池便携式应用电池组设计
　　3.11 电量检测原理
　　较好的电量检测计至少要具备电池电压、电池组温度和电流、测量方法；一个微处理9a；和一套及业经验证的电量检测算法。bq2650x及bq27x00是功能完整的电量检测计，具有一个测量电压与温度的模数转换器(ADC)和一个测量电流与充电感测的模数转换器。这些电量检测计还具有一个微处理器，负责执行德州仪器的电量检测算法。这些演算法会补偿锂离子电池的自放电、老化、温度和放电率等因素。晶片内含微处理器为主机系统处理器省下这些计算负担。电量检测计能够提供剩余电量状态等信息，bq27x00系列产品还提供剩余可运行时间(Run TIme to Empty)主机可随时向电量检测计查询这些信息，再透过LED指示灯或屏幕显示将电池信息通知用户。电量检测计的使用非常方便，系统处理器仅需要配置12C或HDQ通信驱动器即可。
　　3.12 电池组电路描述
　　图4(a)为可选用具有鉴定功能IC的典型的电池组应用电路。根据所使用电量检测计IC的不同，电池组至少需要有三到四个外部终端。

　　VCC及BAT引脚会连到电池电压，以便供电及测量电池电压。电池接地端连接了一个电阻值较小的检测电阻器，让电量检测计的高阻抗SRP及SRN输入端能够监控感测电阻两端的电压。通过流经检测电阻器的电流可用来判断电池充入或释放的电量。设计人员选择检测电阻值时必须考虑电阻两端的电压不能超过100mV，过低的电阻值可能会在电流较小时产生误差。电路板布局必须确保从SRP及SRN到检测电阻器的连接要尽可能靠近感测电阻端；换言之，它们应该是采用Kelvin连线。

　　HDQ引脚需要外部上拉电阻器，该电阻应位于主机或主应用端，这样电量检测计才能在电池组与便携式设备连接断开时启用睡眠功能。建议上拉电阻值选用10kΩ。
　　3.13 电池组鉴定
　　价格低廉的伪冒电池的问题日益严重，这些电池可能不包含OEM厂商要求的安全保护电路。所以，真品电池组可包含图4(a)所示的鉴定电路。当要鉴定电池时，主机向含有IC(bq26150，作用是循环冗余校验(CRC))的电池组发出一个询问值(challenge)，电池组所含的CRC会根据这个询问值和，IC中内建的CRC多项式计算这个CRC值。CRC是基于主机的查询命令与IC中秘密定义的CRC多项式完成的，主机也会进行CRC值计算井与电池组的计算结果比较以确定鉴定是否成功。
　　一旦电池通过鉴定，bq26150则会发出指令以确保主机与电量检测计之间的资料线路通讯正常。当电池连接中断或重新连接时，整个鉴定过程将重复一次。
　　3.14 双电池应用
　　图4(b)为使用bq26500支持双体锂离子电池的典型应用电路。为了支持多颗电池，此电路增加一个可调稳压器。电量检测计的BAT引脚与最下面一节电池的负极相连，以完成可变电池组电压的测量。

　　主机要能够读懂电量检测计测量的可变电池组电压，以确定放电结束阈值以及充电终止阈值。至於电量剩余状态(Remaining Stateof Capacity)等，则不需要解读就能直接使用。
　　上述bq2650x及bq27x00等电量检测计提供电池制造商一个简单易用的选择方案，该方案L[仅仅测量电池电压要精确很多，这些电量检测计可用於各种电池架构，并可支持电池鉴定及双电池应用。
　　3.2 电量检测算法应用举例之二，能适用于各种通用电量计的新型IC。
　　当今不少制造厂商可提供种类丰富的电量计IC，用户可从中选取合适的功能器件，以优化产品的性价比。利用电量计贮测量的电池参数，这种分离式架构允许用户在主机内定制电量计量算法．从而省去电池组内嵌处理器的成本。值此以Dallase semicconductor公司名为例的DS2762芯片作典型分析。一新型分离式电量计IC，其结构见图5(a)所示。

　　DS2762应用特征 DS2762是一款单节锂电池电量计与保护电路，集成于一片微小的2.46mm× 2.74mm倒装片封装。由于内部集成了用于电量检测的高精密电阻，该款器件非常节省空间。它所具有的小尺寸和无可比拟的高集成度，对于移动电话电池组及其它类似的手持产品，如PDA等，都非常理想。集成的保护电路连续地监视电池的过压、欠压和过流故障(充电或放电期间)。不同于独立的保护IC，DS2762允许主处理器监视/控制保护FET的导通状态，这样，可以通过DS2762的保护电路实现系统电源控制。DS2762也可以充电一个已深度消耗的电池，当电池电压不足3V时，提供一条限制电流的恢复充电路径。图5(b)为由DS2762芯片构成所的完整的锂电池组设计。

　　DS2762能够精确监视电池电流、电压和温度，其动态范围与分辨率满足任何通行的移动通信产品的测试标准。测得的电流对内部产生的时基进行积分，实现电量计量。通过实时、连续的自动失调纠正，电量计量的精度得以提高。内置的检测电阻消除了因制造工艺和温度而造成的电阻变化，进一步提高了电量计的精度。重要数据保存于32字节、可加锁的EEPROM；16字节的SRAM用于保存动态数据。与DS2762的所有通信均通过1-Wire、多节点通信接口进行，最大限度减少了电池组与主机的连线。其主要特征为；单节锂电池保护器；高精度电流(电量计量)、电压和温度测量；可选的集成25mΩ检测电阻，每个DS2762经过单独微调；0V电池恢复充电；32字节可加锁EEPROM，16字节SRAM，64位ROM；1-Wire，多节点，数字通信接口；支持多电池组电源管理，并通过保护FET实现系统电源控制；休眠模式下电源电流仅2μA(最大)；工作模式下电源电流为90μA (最大)；2.46mm×2.74mm倒装片封装或16引脚下SSOP封装，两者均可选择带或不带检测电阻；复具有备有评估板。
　　4、结论
　　应用好便携式电子设备的电池技术是选择锂离子电池和锂聚合物电池及其充电器的基础。至于如何正确选择，还必须视便携式电子设备的具体要求而定。

李小路

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