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雖然更高的電池容量延長(zhǎng)了設(shè)備的使用時(shí)間,，但如何縮短充電時(shí)間,，這給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)?？焖俪潆娺m用于廣泛的設(shè)備,，包括消費(fèi)電子,、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。本文分為兩部分,，概要介紹與實(shí)現(xiàn)電池快速充電功能相關(guān)的挑戰(zhàn),。第1部分探討在主機(jī)和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高系統(tǒng)的靈活性,、盡可能降低功耗,，并提升用戶的總體體驗(yàn)。此外,，還介紹設(shè)備包含的監(jiān)測(cè)功能,，確保實(shí)現(xiàn)安全充電和放電。第2部分探討使用并聯(lián)電池實(shí)現(xiàn)快速充電系統(tǒng),。

簡(jiǎn)介

在如今這個(gè)移動(dòng)設(shè)備當(dāng)?shù)赖臅r(shí)代,，電池壽命是影響用戶體驗(yàn)的主要因素之一。在設(shè)備內(nèi)部集成省電技術(shù)非常重要,，但這只是解決方案的一部分,。隨著移動(dòng)設(shè)備的功能不斷增多，其對(duì)電力的要求也不斷提高,，原始設(shè)備制造商(OEM)也嘗試大幅提高電池容量,，以此延長(zhǎng)電池的使用壽命。

例如,，1S2P（1個(gè)電池串聯(lián),，2個(gè)電池并聯(lián)）這類架構(gòu)開始風(fēng)行，通過(guò)使用兩個(gè)并聯(lián)電池來(lái)提高總電池容量,。提高電池容量帶來(lái)的問題就是充電時(shí)間隨之延長(zhǎng),。為了盡可能縮短充電時(shí)間，電池技術(shù)不斷改善,，將充電電流從2C增大到3C或6C（也就是說(shuō),，xC是1小時(shí)內(nèi)通過(guò)電池的額定電流的x倍）,。例如，2000 mAh電池在不對(duì)電池可靠性產(chǎn)生不利影響的情況下,，會(huì)消耗最高12 A充電電流,。

對(duì)于高電流需要特別注意，確保安全充電和放電,。將電池并聯(lián)使用時(shí),，開發(fā)人員還需要考慮電阻和初始容量的不匹配。在本系列文章的第1部分,，我們概要介紹在所有類型的設(shè)備中提供電池快速充電功能時(shí)遇到的挑戰(zhàn),，包括消費(fèi)電子、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用,。

我們還將探討如何為高性能1S2P電池充電,，如何在主機(jī)和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高系統(tǒng)的靈活性,，盡可能降低功耗,，并改善整體用戶體驗(yàn)。

充電器基礎(chǔ)知識(shí),，以及為何電量計(jì)位置分區(qū)非常重要

電池充電系統(tǒng)的關(guān)鍵元件包括充電器本身,，以及報(bào)告電池指標(biāo)的電量計(jì)，例如電池的充電狀態(tài)(SOC),、剩余電量使用時(shí)間和電池充滿所需時(shí)間,。電量計(jì)可以集成在主機(jī)端，或者集成在電池包中（參見圖1）,。

圖1.電池電量計(jì)可以集成在主機(jī)端,，或集成在電池包中。

集成在電池包中時(shí),，電量計(jì)需要使用非易失性存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)電池信息,。電源路徑中的MOSFET監(jiān)測(cè)充電/放電電流，保護(hù)電池免于遭受危險(xiǎn)狀況,。MAX17330是ADI公司提供的電池電量計(jì),，內(nèi)置保護(hù)電路和電池充電器功能（參見圖2）。

圖2.包含充電MOSFET調(diào)節(jié)功能的電量計(jì)框圖,。

圖3.高壓/高電流快速充電系統(tǒng)框圖,。

充電MOSFET可以精細(xì)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)線性充電器,，在充電電源限制為5 V,，充電電流在500 mA范圍內(nèi)時(shí)，該器件可以獨(dú)立使用。由于鋰電池在99%充電曲線中的充電電壓都超過(guò)3.6V,，因此功耗受到限制,。

在充電器前面連接降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)節(jié)其輸出電壓，這樣就可使用高壓充電電源和高充電電流（參見圖3）,。同時(shí)還可以充分減少壓降,，從而降低充電MOSFET的功耗（參見圖4）。

圖4.使用降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓,，以高效實(shí)現(xiàn)10 A充電電流,。圖中所示的是MAX20743降壓轉(zhuǎn)換器，VIN = 12 V,。

在電池包中集成電量計(jì)會(huì)使電池變得智能,，能夠用于先進(jìn)充電場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)充電功能,。例如,，電量計(jì)可在其非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)適合電池包中電池的充電曲線參數(shù)。因此無(wú)需通過(guò)主機(jī)微控制器單元(MCU)充電?，F(xiàn)在，主機(jī)MCU僅需管理來(lái)自電池包的ALRT信號(hào),，根據(jù)收到的警報(bào)類型增大/降低降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,。

CP：熱限制 → 降低電壓。

CT：MOSFET溫度限制 → 降低電壓,。

壓差：→ 增大電壓,。

CP是一種標(biāo)志，當(dāng)流經(jīng)保護(hù)MOSFET的電流影響散熱性能時(shí),，該標(biāo)志置位,。CT是一種標(biāo)志，在MOSFET溫度過(guò)高時(shí)置位,。熱限制和MOSFET限制設(shè)置使用nChgCfg1寄存器組進(jìn)行配置,。

可編程降壓轉(zhuǎn)換器（例如MAX20743）使用PMBus?來(lái)精細(xì)調(diào)節(jié)輸出電流。降壓轉(zhuǎn)換器中的集成式MOSFET支持高達(dá)10 A的充電電流,。此外,，由于PMBus使用I2C作為其物理層，可以使用單個(gè)I2C總線來(lái)管理降壓轉(zhuǎn)換器和電量計(jì),。

以下示例展示一種為單個(gè)3.6 V鋰電池充電的方式,。圖5顯示充電系統(tǒng)中電壓和電流的時(shí)域形狀。具體來(lái)說(shuō),，該圖顯示了電池電壓,、電池電流和降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

圖5.單個(gè)電池快速給3.6 V鋰電池充電。

可以看出,，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出(VPCK)設(shè)置為高于電池電壓50 mV,。該輸出電壓會(huì)持續(xù)增大，以免造成壓差,，且盡可能降低總功耗,。

電池安全管理

由于快速充電期間的電流很高，OEM必須要確保安全充電,。因此,，作為整個(gè)電池管理的一部分，智能快速充電器必須能夠監(jiān)測(cè)多個(gè)重要參數(shù),。例如,，在根據(jù)電池制造商規(guī)格和建議監(jiān)測(cè)電池溫度和環(huán)境/室溫的情況下，快速充電器可以確定何時(shí)降低充電電流和/或降低端電極電壓,，以確保電池安全,，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

可以根據(jù)溫度調(diào)節(jié)電壓和電流,，以符合六區(qū)JEITA溫度設(shè)置要求（參見圖6）,，且基于電池電壓進(jìn)行三區(qū)步進(jìn)充電。

圖6.6區(qū)JEITA溫度范圍,。

使用步進(jìn)充電曲線,，根據(jù)電池電壓改變充電電流，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)電池的使用壽命,。圖7顯示使用3個(gè)充電電壓和3個(gè)相應(yīng)的充電電流的步進(jìn)充電曲線,。可以通過(guò)狀態(tài)機(jī)來(lái)管理各級(jí)之間的轉(zhuǎn)換（參見圖7）,。

圖7.步進(jìn)充電曲線,，使用狀態(tài)機(jī)來(lái)管理各級(jí)之間的轉(zhuǎn)換。

注意,，電流,、電壓和溫度都是相互關(guān)聯(lián)的（參見表1和表2）。

并聯(lián)充電

多電池并聯(lián)充電需要額外管理,。例如,，當(dāng)兩個(gè)電池的電壓相差超過(guò)400 mV時(shí)，充電器必須防止出現(xiàn)交叉充電,。只有當(dāng)最低電池電量太低,，無(wú)法支持系統(tǒng)負(fù)載時(shí)，才容許在有限的時(shí)間里進(jìn)行交叉充電（參見表3和圖8）,。

在本系列文章的第2部分,，我們將探討使用評(píng)估套件和樹莓派板,，使用并聯(lián)電池實(shí)現(xiàn)快速充電系統(tǒng)。

圖8.為了防止交叉充電,，當(dāng)電池ΔV >400 mV,，會(huì)阻止電壓更高的電池放電。

結(jié)論

將充電和電量計(jì)功能從主機(jī)端移動(dòng)到電池包一端,，可以單獨(dú)控制1S2P配置中的每個(gè)電池,。因此不需要由主機(jī)MCU完全管理充電，而是智能充電器本身根據(jù)優(yōu)化充電曲線來(lái)管理其輸出,。由于主機(jī)端的管理只是管理電量計(jì)生成的ALRT信號(hào),，所以系統(tǒng)能夠輕松采用不同的電池包。

必要時(shí),，智能充電器還可以阻止充電和放電,，以防出現(xiàn)交叉充電。這種方法無(wú)需考慮電池不匹配問題,，提高了典型快速充電系統(tǒng)的靈活性,。借助快速電池充電技術(shù)，除了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和整個(gè)充電流程之外,，OEM還可以充分降低功耗,，確保廣泛應(yīng)用的充電和放電安全，并改善用戶體驗(yàn),。