采用恒压/恒流器件优化锂离子电池充电功能

锂离子电池已成为许多能量收集应用中的常见能量存储设备。对于工程师而言，最大化电池性能和生命周期需要使用能够解释锂离子电池专用特性的电池充电电路。工程师可以使用包括ADI公司，Diodes公司，飞兆半导体公司，富士通半导体公司，Intersil公司，凌力尔特公司，Maxim Integrated公司，Micrel公司，Microchip Technology公司和德州仪器公司在内的制造商提供的可用IC，经济高效地构建锂离子充电功能。

与许多其他电池技术不同，锂离子电池需要在紧密的外壳内保持充电曲线。充电不足的锂离子电池根本无法提供其全额定能量输出。另一方面，充电电路不能将锂离子电池电压推高到建议的限值以上或施加超过制造商建议水平的充电电流。在任何一种情况下，施加过电压或过大的充电电流都会开始破坏锂离子电池，从而降低整体电池寿命甚至导致灾难性故障。对于工程师来说，挑战是最大化充电速率和电池电压而不会对电池过度充电。

为了实现这种平衡，锂离子充电通常采用两阶段方法（图1）。在第一阶段，通常称为恒定电流或电流限制阶段，电池以电池制造商推荐的最大充电速率充电。该速率，通常称为1C速率或快速充电速率，是等于电池的安培小时额定值的充电电流。当电池达到指定的设定点电压（通常为4.2 V）时，电池容量仅达到其最大值的65％至70％，但进一步的快速充电速率可能会损坏电池。结果，充电电路切换到第二阶段或恒定电压阶段。这里，充电电路将仅提供足够的电流以将电池的电压保持恒定在该设定点电压。因此，充电电路将持续降低充电电流，导致充电电流曲线逐渐衰减，如图1所示。

图1 ：传统的CC/CV充电器首先以1C速率施加恒定电流，直到电池达到设定点电压（通常为4.2 V），然后通过持续降低充电电流来保持电池两端的恒定电压。 （由德州仪器公司提供）IC制造商不断优化这种恒流/恒压（CC/CV）充电器的IC实现，增强了基本的CC/CV充电电路，具有一系列功能。例如，设计用于非常低成本应用的Micrel MIC79050等设备将CC/CV充电与热关断和限流保护功能相结合。其他器件，如二极管APM8600和Microchip Technology MCP73841，增强了基本的CC/CV充电电路和热关断功能，具有更复杂的安全功能，包括用于设置单独充电阶段超时的充电定时器。

与同类产品中的许多器件一样，二极管APM8600 IC扩展了图1所示的基本锂离子充电曲线。此处，该器件先于传统的CC/CV曲线，具有针对严重耗尽电池的特殊充电模式，并遵循它具有顶部关断模式 - 所有这些都可使用外部电阻和电容进行编程（图2）。

图2：二极管APM8600之类的IC扩展了基本的CC/CV曲线，具有相等的相位，逐渐提升耗尽的锂离子电池电压和顶部电压-off阶段以达到完全电池容量。 （由Diodes Inc.提供）

将SETI引脚连接到GND的电阻RSETI可编程最大充电电流SETI。如图2所示，对于严重耗尽的电池，器件在预定阶段施加以150/RSETI的设定比率确定的有限充电电流。在预定阶段结束时，充电电流曲线显示熟悉的恒定电流阶段，然后在电池达到设定点时衰减。在最后阶段，器件保持一个小电流（设置为112.5/RSETI）以“顶部”电池。

如前所述，CC/CV设备通常提供某种形式的温度监控器和热限制功能。与二极管APM8600一样，飞兆半导体MC34673具有充电电流热折返功能，可在IC内部温度上升到预设阈值时限制充电电流（图3）。

图3：Fairchild MC34673等器件具有充电电流热折返功能，可在IC芯片温度达到预设阈值时限制充电电流。 （Fairchild Semiconductor提供）

MC34673设计为完全集成的电池充电器，仅需两个外部电容和一个电阻，为锂离子和锂聚合物化学电池提供完整的CC/CV电池充电解决方案。与二极管APM8600一样，工程师使用外部电阻为Fairchild器件编程最大CC模式电流。

其他类似设备扩展了CC/CV充电功能，具有广泛的附加功能。例如，Intersil ISL9230包含一个电源路径管理功能，可控制充电电流和系统电流。这里，由于可用输入电流受ISL9230或输入电源的限制，因此ISL9230在电池和系统之间分配输入电流，首先将可用电流分配给系统负载。

虽然许多CC/CV充电IC都基于线性稳压器，但ADI公司的ADP5065，富士通半导体MB39A134，凌力尔特公司LT1512和德州仪器BQ24610等器件依靠开关稳压器来控制输出电流和电压。 Linear LT1512使用电流模式切换器，开关在振荡周期开始时打开，在开关电流达到预设电平时关闭。双反馈电压检测误差放大器的输出用于设置开关电流电平以控制输出电压和电流。误差放大器（如图4左下方所示）允许检测输出电压和电流。这里，误差放大器的一个反相输入用于电压检测，而第二个由放大器驱动，该放大器使用外部电阻器检测输出电流。

图4：与基于线性稳压器的CC/CV锂离子充电器一起，工程师可以找到线性LT1512等设备，它使用电流模式切换器和误差放大器控制输出电流和电压。 （由Linear Technology提供）

工程师可以找到专为独立工作或与微控制器组合工作的CC/CV充电IC。工程师可以使用MCU通过Maxim Integrated MAX8814控制充电，例如，通过将器件的EN使能输入驱动为高电平来禁用或低电平以进行正常充电操作。在这种基于MCU的设计中，工程师将通过测量用于设置最大充电电流的电阻两端的电压来监控充电电流。

结论

恒流/恒压IC提供最大化锂离子电池性能和生命周期所需的基本充电功能。基于对CC/CV充电的基本支持，各种可用IC在一系列封装选项中提供更复杂的电池保护和电源管理功能。通过利用这些现成的解决方案，工程师可以轻松地为其设计添加锂离子电池充电功能。