锂离子电池及其充电器--匠人的百宝箱

锂离子电池及其充电器
-- 随着便携式电子产品的迅猛发展及电池技术的进步，开发出多种新型电池，其中发展最快的是可充电电池。在镍镉电池后相继开发出镍氢电池、锂离子电池及最新发展的锂聚合物（Li-Polymer）电池。锂离子电池与镍镉电池及镍氢电池在主要性能上的比较如表1所示。
表1：锂离子电池/镍镉电池/镍氢电池主要性能比较
参数/电池种类锂离子镍镉镍氢
单位重量能量密度（W－Hr/kg） 90 40 60
额定电压（V） 3.6 1.2 1.2
充电次数 1000 1000 800
自放电率（％/月） 6 15 20
---- 由表1可看出锂离子电池的单位重量能量密度及单位体积能量密度都是最高的，即同样的电池重量、同样的电池体积，在同样的负载电流时，锂离子电池的两次充电的时间间隔是最长的；并且它的自放电率最低，也无记忆效应。由于有这些优点，虽然目前它的价格较贵，但仍然是灵巧型便携式产品，如手机、PDA、掌上电脑等产品的最佳选择。
---- 锂离子电池比较"娇气"，在使用不当时（过充、过温、过放）会造成损害或报废。因此各半导体器件公司纷纷开发出各种安全、高效的锂离子电池充电器IC及锂离子电池保护器IC，这保证了电池充电、放电的安全。MAXIM公司、TI公司、LT公司、ADI公司、MICREL公司、沛亨公司等近年来开发了多种新型锂离子电池充电器IC，其中沛亨公司生产了系列锂离子电池保护器IC；连过去不生产充电器的Telcom公司在2000年9月也开发出一种新型锂离子电池充电器IC。
锂离子电池基本知识
---- 锂离子电池有各种形状（圆柱形、长方形等）以适合不同产品的需要，其容量一般有几百毫安时到几安时。另外，有将几个锂离子电池串联在一起，并与电池保护器封装在一起的电池组。
---- 锂离子电池的额定电压为3.6V（有的公司的产品为3.7V）。电池充满电时的电压（称为终止充电电压）与电池的阳极材料有关：阳极材料为石墨时为4.2V；阳极材料为焦炭时为4.1V。另外，它们的内阻也不相同，焦炭阳极的略大，故其放电曲线也略有差别，如图1所示。锂离子电池终止放电电压为2.5V（各电池制造厂的参数略有不同）。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2.5V后还继续使用，则称为过放电（或过放），对电池有损害。
---- 电池的容量C以mAh或Ah表示。它可以用来估算工作时间。例如，C=1600mAh的锂离子电池若工作电流为400mA，则可估算工作时间约为4小时。实际上电池有自放电损耗，电池存放时间长则会影响使用时间。另外，锂离子电池不适合大电流放电，过大的电流放电会降低放电的时间，如图2所示。一种容量为3Ah的锂离子电池，在0.75A电流放电时，工作时间为4小时。若以2A电流放电时，本应工作1.5小时，但实际为1.25小时（相当于2.5Ah了）；若以3A电流放电，本应工作1小时，但实际为0.6小时（相当于1.8Ah了）。这是因为大电流放电时，内部有较大的损耗的缘故。因此，不同容量的电池由电池制造厂给出允许最大的放电电流值。

锂离子电池充电要求
---- 锂离子电池需要精密的充电电路以保证充电的安全及充满，另外也要使用方便及低价。锂离子电池充电的需求有：终止充电电压精度在额定值的1%之内（过压充电可能对锂离子电池造成永久性损坏）；锂离子电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用。虽然某些电池充电率可达2C（C为电池的容量），但常用的充电率为（0.5～1）C。采用0.5C充电率时，因充电过程的电化学反应会产生热，有一定的能量损失；另外锂离子电池充电并非全部采用恒流充电，还有恒压充电，所以实际充电时间为2.5小时左右；锂离子电池充电的温度在0℃～60℃范围。如果充电电流过大会产生温度过高，不仅会损坏电池并可能引起爆炸。因此在大电流充电时，需要对电池进行温度检测，并且在超过设定充电温度时能停止充电以保证安全。另外，充电器电路中有设定的限流电阻，保证充电电流不超过设定的限制电流。
---- 锂离子电池终止放电电压为2.5V。若电池中没有电池保护器或电子产品中没有电池终止电压检测电路，则可能造成过放（低于2.5V），严重的过放会造成电池的失效。
---- 完善的充电器可对过放的电池进行挽救修复，即在充电前进行预处理。充电前检测电池的电压：若电池电压大于2.5V，则按正常方式充电；若电池电压低于2.5V，则用小电流（约1/10C的电流）充电，充到2.5V后再按正常方式充电。这种预充电的方式称为预处理。
---- 目前的充电器常采用三段充电法，即预处理、恒流充电（快充）、恒压充电（充满）。正常充电（即电池电压大于2.5V）的充电特性如图3所示（充4.2V锂离子电池）。开始以设定的恒流充电，电池电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐步降低，充到接近4.2V时，恒流充电阶段结束。接着以4.2V恒压充电，在恒压阶段充电时，电压几乎不变（或稍有增加），充电电流不断下降。当充电电流下降到1/10C时，表示电池已充满，终止充电（图3中电池容量为1600mAh，充电率为0.5C，充电电流为800mA，1/10C为80mA）。有的充电器在充电电流降到某一值时，启动定时器，经一段定时后，结束充电。

---- 锂离子电池的充电过程与镍镉、镍氢电池充电过程是完全不同的（镍镉、镍氢电池的充电特性如图4所示）。因此，锂离子电池不能借用一般的镍镉、镍氢电池充电器来充电。一般的通用充电器（既可充镍镉、镍氢电池，也能充锂离子电池）的性能不如锂离子电池专用充电器好。即使是锂离子电池充电器，还必须分清楚是充4.1V的还是充4.2V的，不要搞错！
充电器IC的组成
---- 为了满足上述充电的要求，性能良好的锂离子电池充电器IC内部由下述几部分组成：电源电路（它由开关型或线性电源组成），包括恒流源（其精度一般为5%左右）及恒压源（0.75%～1%精度）；电流限制电路（可由用户外设一个电流检测电阻来设定）；电池电压检测电路；电池温度检测电路；充电器指示电路（一般用LED来指示）；安全定时器电路；基准电压源（高精度）、多个电压比较器及逻辑控制电路、关闭控制电路等。
---- 充电器IC根据电源电路不同也分成充电器IC及充电器控制IC两种，即调整管或开关管做在IC内的为充电器IC，调整管或开关管不做在IC内的为充电器控制器。
---- 目前，充电电流较大的（1A以上）、充电电池数量较多（3～4个锂离子电池）的充电器，为提高充电效率，往往采用开关型降压式DC/DC变换器作电源，其效率一般高于90%，并且将开关管由外设MOSFET来担任。这不仅可减小充电器控制器的硅片尺寸及简化制造工艺，并且可以减少大电流产生的热量对控制器IC的影响。这类充电控制器IC的功能较完善、性能较好。例如，MAXIM公司2000年生产的MAX1737、MAX1757、MAX1758。其充电电流可编程，最大充电电流可达1.5A（MAX1757/1758）可充3～4节锂离子电池。
---- 若充电器的充电电流较小（≤0.5C），充单节锂离子电池的场合，往往采用低压差线性电源组成恒流源及恒压源（或门控式脉冲充电），效率虽低一些，但电路较简单、外围元件少、成本较低。

---- 这两年来，开发出不少8引脚的充电器新器件，如MAX1679、bq2057、LTC1730、LTC1731-4.1及LTC1731-4.2、TC3827等；还有一些6引脚的器件，如ADP3820、MAX1736；甚至开发出简易型的3引脚充电器IC：MIC79050-4.2BS。
---- 这些充电器往往采用外接限流的插头式电源，或称墙式适配器（wall adapter或wall cube）。它内部有降压变压器、全波整流器及滤波电容组成的不稳压的AC/DC变换器。利用它的限流作用作快速充电，则充电器电路可大大简化。

---- 这些充电器IC自身尺寸极小（8引脚SO或μMAX封装或6引脚SOT-23封装），外围元件较少，占用印制板面积极小，有不少充电器电路可装入产品中，如LT1731的充电器电路及实际尺寸如图5所示。另外，由MAX1679组成的充电路如图6所示，它可以装入手机中。它的快充电流由外接插头式电源决定，在最后采用脉冲方式充满，其发热量极小。有些充电器省掉测温电路及外接NTC热敏电阻，使电路进一步简化。
---- 3引脚的MIC79050-4.2BS实质上是一个精密低压差线性稳压电源，其输出电压为4.2V，电压精度可达 ±0.75%（在0℃～+60℃），其输出电压温度系数为40ppm/℃；内部有电流限制电路（限制电流为750mA），并有过热关闭保护电路，其结构框图如图7所示。充电电流靠有限流作用的插头式电源提供，终止电压靠4.2V精密稳压器保证，不会过充。

---- 另外，有些充电器IC在设计时需与μC（或μP）结合使用，组成电路简单性较好的充电器，利用μC或 μP对充电过程及一些参数进行控制，即采用软件来完成一些原由硬件来完成的工作，采用廉价的8位μC或μP，成本也不高。另外充电器IC厂在网上提供的有关充电器的编程资料，给这种新型充电器开发带来了方便。例如，Telcom的TC3827充电控制器IC与μC结合的应用电路图如图8所示。图中RSENSE为限流电阻（可设定限制电流），外接PMOS为充电开关，LED为充电指示器。其中MODE、IMON、SHDN三引脚与μC接口，分别控制其充电模式、充电电流（通过RSENSE上的电压来检测充电电流）及关闭控制。

典型充电器IC
---- 近年来，各半导体器件厂开发出不少锂离子充电器或控制器IC。这里摘录一些公司新产品（1999～2000年）列于表2，供参考。需要更详细资料可直接访问生产厂的网址。表2中各型号的字头：MAX为MAXIM公司、ADP为ADI公司、bq为TI公司、MIC为MICREL公司、TC为Telcom公司、LTC为LT公司。