使用鋰離子電池設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)

一、簡(jiǎn)介

與其他電池類(lèi)型相比，鋰離子電池有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：重量輕，鋰離子的能量密度通常是標(biāo)準(zhǔn)鎳鎘電池的兩倍。鋰離子電池沒(méi)有記憶效應(yīng)，自放電比鎳鎘電池少6~8倍。3.6 伏的高電池電壓通常足以從單個(gè)電池為應(yīng)用程序供電。這些特性使鋰離子電池在現(xiàn)代便攜式電子應(yīng)用中非常受歡迎。

圖1

圖 1 顯示了幾種類(lèi)型的鋰離子和鋰聚合物電池，用于不同的應(yīng)用，容量從 200mAh 到 2800Ah。標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池通常使用剛性外殼，而鋰聚合物電池通常使用柔性箔式或軟包電池外殼，從而減小尺寸和重量。在應(yīng)用方面，鋰離子電池和鋰聚合物電池之間的電氣特性沒(méi)有顯著差異。

在使用鋰離子電池設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，了解電池在充電和放電期間的行為非常重要，以確保安全的應(yīng)用和最佳的電池壽命。

2. 單節(jié)鋰離子電池作為電源

當(dāng)使用單節(jié)鋰離子電池為您的應(yīng)用供電時(shí)，應(yīng)用輸入范圍必須考慮電池的電壓波動(dòng)，對(duì)于大多數(shù)鋰離子電池而言，其范圍從 4.2V 完全充電到 3.0V 完全放電。大多數(shù)應(yīng)用都需要某種形式的電壓調(diào)節(jié)。

圖 2

圖 2 顯示了 2000mAh 鋰離子電池從完全充電 （4.2V） 到完全放電 （3.0V） 的典型放電曲線(xiàn)。放電率表示為電池容量（C）的比率。在高放電電流下，電池容量不能充分利用，電池內(nèi)阻會(huì)導(dǎo)致電池電壓下降。

立锜提供范圍廣泛的 LDO、降壓、升壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，它們可以在典型的鋰離子電池電壓范圍內(nèi)工作。下面是一些示例應(yīng)用程序。

像RT9063這樣的低 I Q LDO可用于以最小的電池負(fù)載調(diào)節(jié)微功率應(yīng)用的輸出電壓。1μA 接地電流可確保在低功耗待機(jī)模式下將電池消耗降至最低。

圖 3. RT9063 -25 用于具有超低待機(jī)模式的低功耗應(yīng)用。

當(dāng)電池電壓接近輸出電壓時(shí)，像RT8059這樣的低壓降壓轉(zhuǎn)換器將在 100% 占空比模式下運(yùn)行，從而增加電池的可用范圍。

圖 4. RT8059 3.0V 應(yīng)用將穩(wěn)壓維持在低至 3.0V 的電池電壓。

像RT9276這樣的升壓轉(zhuǎn)換器可用于在不同的電池電壓下產(chǎn)生穩(wěn)定的 USB 5V 電源，并提供電池電壓監(jiān)控功能。

圖 5. RT9276 -50 應(yīng)用從電池輸入提供穩(wěn)定的 5V。

當(dāng)輸出電壓介于電池最大和最小電壓范圍之間時(shí)，可以使用像 RT6150A 或 RT6154A 這樣的降壓-升壓穩(wěn)壓器，并且它們的四個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)可以無(wú)縫地從降壓模式切換到升壓模式。

圖 6. 當(dāng)電池電壓低于 VOOUT 時(shí)，RT6150A 會(huì)自動(dòng)從降壓模式切換到升壓模式。

恒流升壓轉(zhuǎn)換器通常用于使用鋰離子電池為 LED 供電。對(duì)于非常低的功率水平 （0.2W），使用 RT9361A 等電荷泵。對(duì)于更高的功率，可以使用 RT9285B （0.8W） 或RT9293 B （2.5W） 等升壓轉(zhuǎn)換器。對(duì)于大型顯示器的背光照明，可使用RT8532 （6W）等多串升壓 LED 驅(qū)動(dòng)器。

圖 7. PWM 可調(diào)光 RT9285B 應(yīng)用，用于使用鋰離子電池為 4 個(gè) WLED 供電。

一般應(yīng)用備注：

大多數(shù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器都提高了輕負(fù)載效率，從而增加了輕負(fù)載條件下的電池跨度。

鋰離子電池對(duì)過(guò)放電很敏感，這就是為什么許多電池都內(nèi)置了欠壓保護(hù)電路，當(dāng)電池放電到 2.5V 以下時(shí)會(huì)關(guān)閉電池。建議在激活此電池內(nèi)部保護(hù)之前為電池重新充電或斷開(kāi)電池與系統(tǒng)的連接。

在電池安裝期間，由于電池連接線(xiàn)和低 ESR 陶瓷輸入電容器的諧振，鋰離子電池對(duì)僅包含陶瓷輸入電容器的應(yīng)用的熱插拔事件會(huì)導(dǎo)致輸入電壓振鈴。電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)檢查此行為，并確保熱插拔事件不會(huì)對(duì) IC 輸入電路造成電壓過(guò)載。

3. 電池充電

為鋰離子電池充電需要特別小心，因?yàn)椴徽_的充電會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞和不安全的情況。大多數(shù)鋰離子充電器都具有預(yù)調(diào)節(jié) - 恒流 - 恒壓 - 電流切斷功能，如下圖 8 所示。

圖 8

在深度放電的情況下，電池充電器會(huì)首先提供一個(gè)低預(yù)充電電流，以對(duì)電池進(jìn)行正常充電的預(yù)處理。這種低預(yù)處理電流還可以重置電池內(nèi)部欠壓保護(hù)。

在恒流調(diào)節(jié)模式下，電池以定義的電流充電，通常在 0.5C 和 0.7C 之間（其中 C 是電池容量，以 Ah 為單位）。

當(dāng)電池電壓接近調(diào)節(jié)電壓時(shí)（4.2V或4.35V，取決于電池類(lèi)型）充電電流逐漸下降，充電器將工作在恒壓模式。需要精確控制這個(gè)最大調(diào)節(jié)電壓，以避免過(guò)度充電，這會(huì)損壞電池并導(dǎo)致不安全的情況。

當(dāng)電池電壓達(dá)到其調(diào)節(jié)電壓且充電電流降至額定充電電流的一定百分比（通常為5～10%）以下時(shí)，即認(rèn)為電池已充滿(mǎn)電，然后終止充電。不建議對(duì)鋰離子電池連續(xù)涓流充電，因?yàn)檫@會(huì)縮短電池壽命。大多數(shù)充電器會(huì)在電池電壓下降到一定水平（通常低于調(diào)節(jié)電壓0.1~0.2V）以下時(shí)開(kāi)始重新充電循環(huán)。

當(dāng)鋰離子電池長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，最好將其放電至 40%（~3.7V）左右，以減少其老化效應(yīng)。

需要監(jiān)測(cè)充電過(guò)程中的電池溫度，電池溫度過(guò)高或過(guò)低都應(yīng)停止充電過(guò)程。對(duì)于大多數(shù)鋰離子電池，可以在 10°C ~ 45°C 的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用正常充電條件。當(dāng)電池溫度低于 0°C 或高于 60°C 時(shí)，應(yīng)停止充電。

立锜擁有從線(xiàn)性到開(kāi)關(guān)類(lèi)型的各種鋰離子充電器。線(xiàn)性充電器拓?fù)渫ǔＳ糜诟哌_(dá) 1000mAh 的電池，而開(kāi)關(guān)充電器用于可通過(guò)更高電流 （》1A） 充電的更大容量電池，或者在使用具有更高輸入電壓的適配器時(shí)。

RT9525是一款具有自動(dòng)電源路徑的線(xiàn)性充電器，它允許應(yīng)用程序從適配器電源運(yùn)行，但當(dāng)超過(guò)適配器輸入電流限制時(shí)，它會(huì)逐漸回到電池電源。RT9525還包含許多保護(hù)功能，如輸入過(guò)壓保護(hù)、輸出短路保護(hù)和負(fù)載斷開(kāi)功能。

圖 9. 具有自動(dòng)電源路徑的小型電池供電應(yīng)用的典型RT9525充電器。

RT9451是一款帶I 2 C控制的開(kāi)關(guān)充電器，可以靈活選擇充電參數(shù)和系統(tǒng)控制。開(kāi)關(guān)拓?fù)湓诮祲耗Ｊ较略试S高達(dá) 12V 的輸入和 4A 的快速充電電流。開(kāi)關(guān) MOSFET 還可以設(shè)置為升壓模式，其中可以從電池向 Vin 引腳提供電流高達(dá) 1.6A 的穩(wěn)定 5V，為 USB-on-the-Go （OTG） 設(shè)備供電。RT9451常用于具有較大容量鋰離子電池（》 2Ah）的系統(tǒng)，如平板電腦，但也可應(yīng)用于移動(dòng)電源，可使用大電流 OTG 功能為外部設(shè)備充電。

圖 10.為大容量電池充電的典型RT9451應(yīng)用。

4. 電池電量計(jì)

在許多電池應(yīng)用中，了解電池中剩余的電量非常重要。檢查鋰離子電池的充電狀態(tài) （SOC） 通常通過(guò)庫(kù)侖計(jì)數(shù)方法完成，該方法測(cè)量電池電流隨時(shí)間的變化，并根據(jù)電荷的凈增加/減少確定 SOC。這些方法在理論上是準(zhǔn)確的，但隨著時(shí)間的推移會(huì)出現(xiàn)累積誤差，并且由于電流檢測(cè)電路而導(dǎo)致電路復(fù)雜。

另一種 SOC 測(cè)量可以通過(guò)基于動(dòng)態(tài)電壓的電量計(jì)來(lái)完成，該電量計(jì)隨時(shí)間測(cè)量電池電壓，并結(jié)合電池模型使用動(dòng)態(tài)電壓測(cè)量值來(lái)計(jì)算相對(duì) SOC。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不受誤差累積的影響，可用于 RT9420 和RT9428電池電量計(jì) IC。這些 IC 簡(jiǎn)單地連接到電池端子，并隨著時(shí)間的推移非常準(zhǔn)確地監(jiān)控電池電壓。他們使用內(nèi)部算法計(jì)算相對(duì) SOC 并通過(guò) I 2將其傳回主機(jī)微控制器C. 為了獲得最佳 SOC 精度，應(yīng)用電池組需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行表征：電池特定補(bǔ)償以及溫度和充電/放電效應(yīng)可以包括在 SOC 計(jì)算中。

圖 11. RT9428電池電量計(jì)應(yīng)用

圖 10 顯示了RT9428的典型應(yīng)用。為了準(zhǔn)確測(cè)量電池電壓，建議將 Kelvin 連接到電池引線(xiàn)。

圖 12. 不同放電條件和過(guò)充電/放電循環(huán)下的 SOC 測(cè)量和 SOC 誤差。

RT9428可以在各種充電/放電條件和電池周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的 SOC 精度。