如何選擇鋰離子電池充電管理IC

ID:988595 · 發表于 2022-4-12 11:08

約翰·B·古迪納夫（John B. Goodenough）被認為是鋰離子（Li-ion）電池之父，當他因其開創性的工作而于2019年獲得諾貝爾化學獎時，他成為最年長的諾貝爾獎獲得者。如今，鋰離子電池被用于大多數消費者生活的各個方面，因為它們使電子設備輕巧耐用。例如，大多數手機依靠鋰離子電池來獲得更長的運行時間，便攜性和方便的充電。有效地為鋰離子電池充電以最大限度地利用這一點非常重要。

如何為鋰離子電池充電
首先，讓我們分析一下鋰離子電池的充電過程。充電過程可分為四個不同的階段：涓流充電、預充電、恒流充電和恒壓充電。圖1顯示了典型鋰離子電池的充電曲線。

圖 1：鋰離子電池充電曲線

這似乎很簡單，但在選擇電池充電解決方案時需要考慮許多參數。圖2顯示了選擇解決方案時的四個主要考慮因素。

圖2：電池充電IC設計 – 關鍵考慮因素

下面將進一步詳細介紹這些注意事項：
拓撲學
電池充電器系統設計人員必須根據輸入電壓范圍、電池配置、充電電流和其他系統級優先級來選擇拓撲結構（見圖3）。

圖3：電池充電器拓撲

例如，大多數便攜式設備從USB端口充電。有兩種主要的USB類型：
USB Type-A：通常為5V，最大電流為1.5A，此USB類型可支持高達12V的快速充電（以及其他標準）
USB Type-C：5V/3A最大值。如果支持USB-PD，則可以在5A時將其增加到20V
如果設備通過USB端口充電，則必須始終支持5V工作電壓。例如，對于串聯電池（最大VBATT≥8.4V），請使用升壓或降壓-升壓拓撲。如果設備不是從USB端口充電，建議使用降壓拓撲，因為輸入電壓始終超過電池電壓。
控制回路
電池管理IC的一個主要挑戰是它們具有多個控制環路。他們不僅需要管理輸入電壓和電流，還必須管理系統的功率，電池充電電流和電壓，電池溫度和其他參數（見圖4）。例如，系統通常必須根據電池溫度調整電池充電電流。

圖4：電池充電器IC中的各種控制環路

電源路徑管理
電源路徑管理控制環路根據輸入源電流能力和系統負載電流要求動態調整電池充電電流。這可確保系統在使用超額電荷為電池充電時接收所需的電流。

圖5：電池充電器系統架構

根據電池充電器的功能，有三種典型的架構。第一種架構將電池直接連接到系統電源，并要求電池電壓達到最低系統電壓才能工作。第二種是直通方法，它使用外部開關來管理電池充電和系統路徑。第三種架構是NVDC電源路徑管理，這是一種常見的方法，與前兩種架構相比具有以下優點：
系統可以立即啟動，即使電池電壓較低
系統電壓緊隨電池電壓，以降低系統組件的電壓應力
當輸入功率受限時，電池可以補充系統
系統可以與電池斷開連接，以支持傳輸模式

圖6顯示了NVDC充電器充電曲線的運行情況。

圖6：具有NVDC特征的鋰離子充電曲線

當電池電壓相對較低時，系統電壓調節在最低工作點（圖6中VSYS_REG_MIN）。當電池電壓接近VSYS_REG_MIN時，電池和系統電壓會相互密切跟蹤。因此，無論電池的狀態如何，系統電壓始終保持在較窄的范圍內。圖7顯示了實際范圍圖。

圖7：典型充電曲線（工作條件：V在= 16V， V蝙蝠斜坡從 0V 開始，ICHG = 1.84A，I系統= 1A）

反向操作
上面討論的電池充電器操作已使用輸入源為電池充電或為系統供電。它還可以提供相反方向的操作，例如USB On-the-Go（OTG）功能。具有USB OTG功能的電池充電器允許設備的內部電池通過設備輸入端口為設備供電。

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