鋰離子電池及其充電器

-- 隨著便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展及電池技術(shù)的進步，開發(fā)出多種新型電池，其中發(fā)展最快的是可充電電池。在鎳鎘電池后相繼開發(fā)出鎳氫電池、鋰離子電池及最新發(fā)展的鋰聚合物（Li-Polymer）電池。鋰離子電池與鎳鎘電池及鎳氫電池在主要性能上的比較如表1所示。
表1：鋰離子電池/鎳鎘電池/鎳氫電池主要性能比較
參數(shù)/電池種類 鋰離子 鎳鎘 鎳氫
單位重量能量密度（W－Hr/kg） 90 40 60
額定電壓（V） 3.6 1.2 1.2
充電次數(shù) 1000 1000 800
自放電率（％/月） 6 15 20
---- 由表1可看出鋰離子電池的單位重量能量密度及單位體積能量密度都是最高的，即同樣的電池重量、同樣的電池體積，在同樣的負載電流時，鋰離子電池的兩次充電的時間間隔是最長的；并且它的自放電率最低，也無記憶效應(yīng)。由于有這些優(yōu)點，雖然目前它的價格較貴，但仍然是靈巧型便攜式產(chǎn)品，如手機、PDA、掌上電腦等產(chǎn)品的最佳選擇。
---- 鋰離子電池比較"嬌氣"，在使用不當時（過充、過溫、過放）會造成損害或報廢。因此各半導(dǎo)體器件公司紛紛開發(fā)出各種安全、高效的鋰離子電池充電器IC及鋰離子電池保護器IC，這保證了電池充電、放電的安全。MAXIM公司、TI公司、LT公司、ADI公司、MICREL公司、沛亨公司等近年來開發(fā)了多種新型鋰離子電池充電器IC，其中沛亨公司生產(chǎn)了系列鋰離子電池保護器IC；連過去不生產(chǎn)充電器的Telcom公司在2000年9月也開發(fā)出一種新型鋰離子電池充電器IC。
鋰離子電池基本知識
---- 鋰離子電池有各種形狀（圓柱形、長方形等）以適合不同產(chǎn)品的需要，其容量一般有幾百毫安時到幾安時。另外，有將幾個鋰離子電池串聯(lián)在一起，并與電池保護器封裝在一起的電池組。
---- 鋰離子電池的額定電壓為3.6V（有的公司的產(chǎn)品為3.7V）。電池充滿電時的電壓（稱為終止充電電壓）與電池的陽極材料有關(guān)：陽極材料為石墨時為4.2V；陽極材料為焦炭時為4.1V。另外，它們的內(nèi)阻也不相同，焦炭陽極的略大，故其放電曲線也略有差別，如圖1所示。鋰離子電池終止放電電壓為2.5V（各電池制造廠的參數(shù)略有不同）。如果鋰離子電池在使用過程中電壓已降到2.5V后還繼續(xù)使用，則稱為過放電（或過放），對電池有損害。
---- 電池的容量C以mAh或Ah表示。它可以用來估算工作時間。例如，C=1600mAh的鋰離子電池若工作電流為400mA，則可估算工作時間約為4小時。實際上電池有自放電損耗，電池存放時間長則會影響使用時間。另外，鋰離子電池不適合大電流放電，過大的電流放電會降低放電的時間，如圖2所示。一種容量為3Ah的鋰離子電池，在0.75A電流放電時，工作時間為4小時。若以2A電流放電時，本應(yīng)工作1.5小時，但實際為1.25小時（相當于2.5Ah了）；若以3A電流放電，本應(yīng)工作1小時，但實際為0.6小時（相當于1.8Ah了）。這是因為大電流放電時，內(nèi)部有較大的損耗的緣故。因此，不同容量的電池由電池制造廠給出允許最大的放電電流值。

鋰離子電池充電要求
---- 鋰離子電池需要精密的充電電路以保證充電的安全及充滿，另外也要使用方便及低價。鋰離子電池充電的需求有：終止充電電壓精度在額定值的1%之內(nèi)（過壓充電可能對鋰離子電池造成永久性損壞）；鋰離子電池的充電率（充電電流）應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議選用。雖然某些電池充電率可達2C（C為電池的容量），但常用的充電率為（0.5～1）C。采用0.5C充電率時，因充電過程的電化學反應(yīng)會產(chǎn)生熱，有一定的能量損失；另外鋰離子電池充電并非全部采用恒流充電，還有恒壓充電，所以實際充電時間為2.5小時左右；鋰離子電池充電的溫度在0℃～60℃范圍。如果充電電流過大會產(chǎn)生溫度過高，不僅會損壞電池并可能引起爆炸。因此在大電流充電時，需要對電池進行溫度檢測，并且在超過設(shè)定充電溫度時能停止充電以保證安全。另外，充電器電路中有設(shè)定的限流電阻，保證充電電流不超過設(shè)定的限制電流。
---- 鋰離子電池終止放電電壓為2.5V。若電池中沒有電池保護器或電子產(chǎn)品中沒有電池終止電壓檢測電路，則可能造成過放（低于2.5V），嚴重的過放會造成電池的失效。
---- 完善的充電器可對過放的電池進行挽救修復(fù)，即在充電前進行預(yù)處理。充電前檢測電池的電壓：若電池電壓大于2.5V，則按正常方式充電；若電池電壓低于2.5V，則用小電流（約1/10C的電流）充電，充到2.5V后再按正常方式充電。這種預(yù)充電的方式稱為預(yù)處理。
---- 目前的充電器常采用三段充電法，即預(yù)處理、恒流充電（快充）、恒壓充電（充滿）。正常充電（即電池電壓大于2.5V）的充電特性如圖3所示（充4.2V鋰離子電池）。開始以設(shè)定的恒流充電，電池電壓以較高的斜率增長，在充電過程中斜率逐步降低，充到接近4.2V時，恒流充電階段結(jié)束。接著以4.2V恒壓充電，在恒壓階段充電時，電壓幾乎不變（或稍有增加），充電電流不斷下降。當充電電流下降到1/10C時，表示電池已充滿，終止充電（圖3中電池容量為1600mAh，充電率為0.5C，充電電流為800mA，1/10C為80mA）。有的充電器在充電電流降到某一值時，啟動定時器，經(jīng)一段定時后，結(jié)束充電。

---- 鋰離子電池的充電過程與鎳鎘、鎳氫電池充電過程是完全不同的（鎳鎘、鎳氫電池的充電特性如圖4所示）。因此，鋰離子電池不能借用一般的鎳鎘、鎳氫電池充電器來充電。一般的通用充電器（既可充鎳鎘、鎳氫電池，也能充鋰離子電池）的性能不如鋰離子電池專用充電器好。即使是鋰離子電池充電器，還必須分清楚是充4.1V的還是充4.2V的，不要搞錯！
充電器IC的組成
---- 為了滿足上述充電的要求，性能良好的鋰離子電池充電器IC內(nèi)部由下述幾部分組成：電源電路（它由開關(guān)型或線性電源組成），包括恒流源（其精度一般為5%左右）及恒壓源（0.75%～1%精度）；電流限制電路（可由用戶外設(shè)一個電流檢測電阻來設(shè)定）；電池電壓檢測電路；電池溫度檢測電路；充電器指示電路（一般用LED來指示）；安全定時器電路；基準電壓源（高精度）、多個電壓比較器及邏輯控制電路、關(guān)閉控制電路等。
---- 充電器IC根據(jù)電源電路不同也分成充電器IC及充電器控制IC兩種，即調(diào)整管或開關(guān)管做在IC內(nèi)的為充電器IC，調(diào)整管或開關(guān)管不做在IC內(nèi)的為充電器控制器。
---- 目前，充電電流較大的（1A以上）、充電電池數(shù)量較多（3～4個鋰離子電池）的充電器，為提高充電效率，往往采用開關(guān)型降壓式DC/DC變換器作電源，其效率一般高于90%，并且將開關(guān)管由外設(shè)MOSFET來擔任。這不僅可減小充電器控制器的硅片尺寸及簡化制造工藝，并且可以減少大電流產(chǎn)生的熱量對控制器IC的影響。這類充電控制器IC的功能較完善、性能較好。例如，MAXIM公司2000年生產(chǎn)的MAX1737、MAX1757、MAX1758。其充電電流可編程，最大充電電流可達1.5A（MAX1757/1758）可充3～4節(jié)鋰離子電池。
---- 若充電器的充電電流較?。ā?.5C），充單節(jié)鋰離子電池的場合，往往采用低壓差線性電源組成恒流源及恒壓源（或門控式脈沖充電），效率雖低一些，但電路較簡單、外圍元件少、成本較低。

---- 這兩年來，開發(fā)出不少8引腳的充電器新器件，如MAX1679、bq2057、LTC1730、LTC1731-4.1及LTC1731-4.2、TC3827等；還有一些6引腳的器件，如ADP3820、MAX1736；甚至開發(fā)出簡易型的3引腳充電器IC：MIC79050-4.2BS。
---- 這些充電器往往采用外接限流的插頭式電源，或稱墻式適配器（wall adapter或wall cube）。它內(nèi)部有降壓變壓器、全波整流器及濾波電容組成的不穩(wěn)壓的AC/DC變換器。利用它的限流作用作快速充電，則充電器電路可大大簡化。

---- 這些充電器IC自身尺寸極?。?引腳SO或μMAX封裝或6引腳SOT-23封裝），外圍元件較少，占用印制板面積極小，有不少充電器電路可裝入產(chǎn)品中，如LT1731的充電器電路及實際尺寸如圖5所示。另外，由MAX1679組成的充電路如圖6所示，它可以裝入手機中。它的快充電流由外接插頭式電源決定，在最后采用脈沖方式充滿，其發(fā)熱量極小。有些充電器省掉測溫電路及外接NTC熱敏電阻，使電路進一步簡化。
---- 3引腳的MIC79050-4.2BS實質(zhì)上是一個精密低壓差線性穩(wěn)壓電源，其輸出電壓為4.2V，電壓精度可達 ±0.75%（在0℃～+60℃），其輸出電壓溫度系數(shù)為40ppm/℃；內(nèi)部有電流限制電路（限制電流為750mA），并有過熱關(guān)閉保護電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。充電電流靠有限流作用的插頭式電源提供，終止電壓靠4.2V精密穩(wěn)壓器保證，不會過充。

---- 另外，有些充電器IC在設(shè)計時需與μC（或μP）結(jié)合使用，組成電路簡單性較好的充電器，利用μC或 μP對充電過程及一些參數(shù)進行控制，即采用軟件來完成一些原由硬件來完成的工作，采用廉價的8位μC或μP，成本也不高。另外充電器IC廠在網(wǎng)上提供的有關(guān)充電器的編程資料，給這種新型充電器開發(fā)帶來了方便。例如，Telcom的TC3827充電控制器IC與μC結(jié)合的應(yīng)用電路圖如圖8所示。圖中RSENSE為限流電阻（可設(shè)定限制電流），外接PMOS為充電開關(guān)，LED為充電指示器。其中MODE、IMON、SHDN三引腳與μC接口，分別控制其充電模式、充電電流（通過RSENSE上的電壓來檢測充電電流）及關(guān)閉控制。
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典型充電器IC
---- 近年來，各半導(dǎo)體器件廠開發(fā)出不少鋰離子充電器或控制器IC。這里摘錄一些公司新產(chǎn)品（1999～2000年）列于表2，供參考。需要更詳細資料可直接訪問生產(chǎn)廠的網(wǎng)址。表2中各型號的字頭：MAX為MAXIM公司、ADP為ADI公司、bq為TI公司、MIC為MICREL公司、TC為Telcom公司、LTC為LT公司。