電池充電器IC基本原理
電池充電基礎(chǔ)知識
鋰離子充電器IC是調(diào)節(jié)電池充電電流與電壓的設(shè)備，常用于便攜式設(shè)備，如手機、筆記本電腦和平板電腦等。與其他化學成分的電池相比，鋰離子電池是能量密度最高的電池之一，其單節(jié)電池提供的電壓更高，承受的電流也更大，而且在電池滿電時無需涓流充電。不過，鋰離子電池沒有記憶效應(yīng)，這意味著它不會“記住”在電量完全耗盡之前剩余的電量。鋰離子電池必須采用特殊的恒流恒壓 (CC-CV) 充電曲線進行充電，充電曲線可根據(jù)電池溫度和電壓水平自動調(diào)整。
充電曲線
充電曲線是鋰離子電池的一項基本特性，它描述了電池充電時，電池的電壓和電流如何變化。 為簡化起見，充電曲線可以通過一個坐標圖來表達，其X 軸表示時間，Y 軸表示電池電壓或電池電量。通過該曲線可以洞見電池的安全特性，并了解如何優(yōu)化電池充電。MP2759A是MPS提供的一款高集成度開關(guān)充電器IC，專為 1 至 6 節(jié)串聯(lián)鋰離子或鋰聚合物電池應(yīng)用而設(shè)計。圖 1 所示為 MP2759A 的充電曲線。
鋰離子電池遵循相對常見的充電曲線，下面將進行詳細的描述。需要注意，如果充電器 IC 提供可配置功能，設(shè)計人員將能夠為這些充電階段設(shè)置自己的閾值。由于大多數(shù)電池制造商只為不同的最大充電電流水平設(shè)定同一閾值，因此閾值可配置功能非常有用。可配置的閾值能夠提供一層額外的安全保護，保護電池免受過壓、過熱條件以及過載的影響，從而避免電池的永久損壞或容量降級。
涓流充電：涓流充電階段通常只在電池電壓低于一個極低水平（約2.1V）時采用。在這種狀態(tài)下，電池組的內(nèi)部保護 IC 可能由于深度放電或發(fā)生過流事件已經(jīng)斷開了電池。充電器 IC 提供一個小電流（通常為 50mA）為電池組的電容充電，以觸發(fā)保護 IC ，合上其 FET重新連接電池。雖然涓流充電通常只持續(xù)幾秒鐘，但充電器 IC 仍然需要集成一個定時器。如果電池組在一定時間內(nèi)未重新連接，則定時器停止充電，因為這表明電池已損壞。
預(yù)充電：一旦電池組重新連接或處于放電狀態(tài)，就進入預(yù)充電階段。預(yù)充電期間，充電器IC開始以一個較低的電流水平為耗盡的電池安全充電，該電流通常為 C / 10（C 為容量，以 mAh 為單位）。預(yù)充電使電池電壓緩慢上升。其目的是在低電流水平下對電池進行安全的充電，以防止損壞電池，直到其電壓達到一個較高的水平。
恒流（CC）充電: 恒流（CC）充電也被稱作快速充電階段，下文將對其進行詳細介紹。恒流充電在預(yù)充電之后開始，一旦電池電壓達到每節(jié)3V 左右即開始恒流充電。在恒流充電階段，電池可以安全地處理 0.5C 至3C 之間的較高充電電流。恒流充電會持續(xù)到電池電壓達到“滿電”或浮動電壓水平，然后進入恒壓充電階段。
恒壓（CV）充電: 鋰電池的恒壓（CV）閾值通常為每節(jié)4.1V至4.5V。充電器 IC 會在恒流充電期間監(jiān)測電池電壓。一旦電池達到恒壓充電閾值，充電器IC就會從恒流轉(zhuǎn)換至恒壓調(diào)節(jié)階段。當充電器 IC 監(jiān)測到外部電池組電壓超過了電池組中的實際電池電壓，就開始執(zhí)行恒壓充電。這是由于存在內(nèi)部電池電阻、PCB 電阻和來自保護 FET 和單電池的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。充電器 IC 不應(yīng)允許電池電壓超過其最大浮動電壓，以保證安全的運行。
充電截止: 當恒壓充電階段，當流入電池的電流降至設(shè)定閾值（約為 C / 10）以下時，充電器 IC即終止充電周期。此時，電池被認為已充滿電，充電完成。如果充電器 IC 的充電截止功能被禁用，充電電流會自然衰減至 0mA，但實際中很少這樣做。因為在恒壓充電期間，進入電池的電荷量呈指數(shù)級下降（因為電池電壓的增大就如同一個大電容器），在容量增加極少的情況下，為電池充電需要非常長的時間。
任一時刻的實際充電電流都可能低于設(shè)置值，其原因包括各種環(huán)路調(diào)節(jié)，例如輸入電流限制、輸入電壓限制、散熱調(diào)節(jié)或電池溫度。有關(guān)電池安全的更多信息，請參閱下文中的安全部分。
快速充電
談到快速充電，最關(guān)鍵是根據(jù)電池制造商的規(guī)格確定電池可以處理的電流。舉例來說，電池的“C 率”指定了電池充放電的最大電流。標準C 率通常在 0.5C 到3C 之間，具體取決于所用的具體電池，通常需要在較高C 率和較低能量密度之間進行權(quán)衡。例如，一塊 3000mAh 的電池，C 率為 1C，意味著電池能夠以最大 3A 的電流充電。通常，電池制造商還會為 C 率指定不同的電壓和溫度范圍，在電壓較低或溫度較高/較低的條件下，C率會降低。
如果一塊電池具有較高的 C率，那它就可以處理更多的電流，也就可以更快地充電。例如，相比無線揚聲器，較高 C 率的電池對智能手機和筆記本電腦等便攜式設(shè)備來說更加有用，因為這些便攜式設(shè)備可能需要每天至少充電一次。通常對運行時間較短且需要持續(xù)使用的設(shè)備來說，快充肯定是首選。了解電池的 C 率可以幫助設(shè)計人員確定如何優(yōu)化其解決方案，使他們能夠選擇最適合其電池的充電器IC拓撲結(jié)構(gòu)和安全功能。
恒流 (CC) 充電階段（也稱為快充階段）通常取決于電池的電壓閾值。MP2731更是獨樹一幟，將其快充階段定義為電池電壓超過預(yù)充電閾值且小于其恒壓充電閾值的時間間隔。在第一個快充階段，電池 FET 以快充電流為電池充電。一旦電池電壓超過新閾值，則認為電池 FET 完全導通。
如何選擇恰當?shù)某潆娖鱅C
在選擇合適的電池充電器IC系統(tǒng)時，最重要的考量參數(shù)包括：電池組中串聯(lián)的電池數(shù)量、輸入電壓 (VIN) 范圍、充電電流和系統(tǒng)電源路徑管理。這些參數(shù)決定了充電電路（開關(guān)或線性）所需的電源轉(zhuǎn)換類型，以及為系統(tǒng)電壓軌供電所需的附加功能，例如窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理。這些因素直接決定充電器IC拓撲的選擇。簡而言之，充電器IC拓撲由以下基本參數(shù)確定：
對5V輸入、充電電流小于或等于500mA的單節(jié)電池組而言，線性充電器IC較適合。單節(jié)電池組的最大電壓通常在 4.2V 到 4.5V 之間。需要注意，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計和散熱性能的不同，線性充電器IC的最大電流可能高于或低于預(yù)期值。
如果充電電流超過500mA，建議使用開關(guān)充電器IC。這種充電器IC也常用于電壓大于或等于 5V 的 USB 應(yīng)用。根據(jù) VIN?和最大電池電壓(VBATT)，通常有三種開關(guān)充電器IC拓撲可選。如果 VIN?低于最大 VBATT，選擇升壓充電器IC；如果 VIN?大于或等于 VBATT，選擇降壓充電器IC；如果 VIN大于、小于或等于 VBATT，則選擇升降壓充電器IC。下文將對這些拓撲給出更詳細地描述。
電池組電池配置
就電池配置而言，根據(jù)電池組內(nèi)物理串聯(lián)放置的電池數(shù)量，以及充電器IC的輸出電壓 (VOUT)范圍，電池充電器IC分為單節(jié)或多節(jié)電池充電器IC兩種類型。
單電池具有較低的功率輸出和較小尺寸，通常最大放電電流在 1C 到 3C 之間（例如 1Ah = 1A ～3A）。這意味著單電池充電器IC通常適用于較小的移動設(shè)備，例如手機、手表和耳機。而多個堆疊的電池則可以提供較大功率，通常用于需要更多功率的大型系統(tǒng)，例如筆記本電腦、揚聲器、移動電源和無人機。不過，電池組內(nèi)并聯(lián)的電池數(shù)量通常不會影響充電器 IC 的選擇，因為并聯(lián)不影響電壓。
輸入電壓 (VIN)范圍
消費電子產(chǎn)品大多通過 USB 端口供電，該端口至少也要支持 5V電壓。隨著 USB 標準逐步演變?yōu)橹С?USB 供電 (PD)的新型 USB Type-C 連接器，最大允許電壓也增至20V。根據(jù) USB PD 規(guī)范的擴展功率范圍 (EPR) ，該電壓還將進一步上升至 48V。從充電系統(tǒng)設(shè)計的角度來看，充電器 IC支持的VIN范圍和功率必須在充電的同時為下游電源軌供電。如果系統(tǒng)所需的總功率低于 15W，則可以使用 5V 標準 USB Type-C；如果總功率超過 15W，使用USB 連接器時還必須采用具有更高 VIN和 USB PD 的解決方案。
對 USB 應(yīng)用來說，充電器 IC 必須向后兼容 5V電壓。采用多于1 個電池串聯(lián)的電池組會增加充電器IC的成本和復(fù)雜性，因為其拓撲必須支持寬輸入電壓范圍（例如升降壓拓撲）。如果采用非 USB 連接器（即筒形插孔連接器），系統(tǒng)設(shè)計人員通常可以自由選擇VIN，而無需考慮對其他電壓電平的支持。對設(shè)計而言，這樣更簡單、性價比更高，但對最終用戶來說，可能帶來不便，因為他將不得不需要一個只能兼容一個產(chǎn)品的特殊壁式充電器。
充電電流
設(shè)計人員還需要考量充電電流及其對充電器IC拓撲選擇的影響。如果充電電流小于或等于 500mA，使用線性充電器可以降低成本和尺寸。但對更高電流，則建議使用開關(guān)充電器，因為可以降低功耗并提高效率；不過，與線性充電器相比，開關(guān)充電器需要一個電感，因而會占用額外的電路板空間。
舉例來說，通過1A、5V USB 輸入充電，不建議使用線性充電器。如果使用線性充電器，在快充階段開始，電池電壓為 3V 時，充電器IC有2V的壓降，會導致2W 的功耗產(chǎn)生。線性充電器僅適用于充電電流較低的小型電池，而開關(guān)充電器則適合處理更高的充電電流。
系統(tǒng)電源路徑管理 (PPM)
電源路徑管理 (PPM) 功能可以根據(jù)輸入源電流能力和系統(tǒng)負載的電流要求對電池充電電流進行調(diào)整。它幫助系統(tǒng)微控制器 (MCU) 或片上系統(tǒng) (SoC)獲得足夠的電力，同時還能夠利用多余電流為電池充電。常見的電源路徑管理選項如下文所述。
沒有電源路徑管理的簡單充電器IC（電池直接供電）
沒有電源路徑管理的簡單充電器IC，其電池直接連接至系統(tǒng)，充電器IC只有一個輸出，即電池。在這種情況下，必須先將電池充電至最低系統(tǒng)電壓，然后產(chǎn)品才能開機。如果電池已經(jīng)深度放電，則可能還需要額外的充電時間，對于在充電時可以使用的產(chǎn)品應(yīng)用中，用戶體驗將欠佳。對于沒有電源路徑管理的簡單充電器而言，其優(yōu)勢在于簡單和較低的BOM 成本。
MP26029即為一款具有溫度調(diào)節(jié)功能的單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池充電器 IC（參見圖 2）。其片上充電 MOSFET 作為全功能線性充電器IC工作，具有預(yù)充電、恒流 (CC) 充電、恒壓 (CV) 充電、充電截止和自動再充功能。內(nèi)部偏置電路由 IN 或 BATT 引腳中較高的電壓供電。MP26029?還提供一個 ISET 引腳來啟用或禁用充電，同時提供一個狀態(tài)指示引腳，以報告器件正在充電、充電完成或充電暫停等狀態(tài)。
OR選項電源路徑管理（旁路模式）?
對于OR選項電源路徑管理（也稱為旁路模式或直通法），由外部開關(guān)管理電池充電和系統(tǒng)路徑。這種方法優(yōu)化了儲能容量，并能在電池故障時提供保護功能。OR選項電源路徑管理遵循兩個基本原則：?
VIN存在時，VIN直接連接至系統(tǒng)
沒有VIN時，VBATT直接連接至系統(tǒng)
采用OR選項，電源路徑管理系統(tǒng)必須能夠承受 VIN。同時，系統(tǒng)電壓(VSYS) 不會被調(diào)節(jié)。另外，在這種拓撲中，由于兩個電源軌是分開的，電池不能通過額外的電流來補充系統(tǒng)電源。但采用窄電壓直流（NVDC） 電源路徑架構(gòu)可以緩解此問題，具體詳述如下。
MP2759是一款具有 OR選項的電源路徑管理的鋰離子/鋰聚合物電池充電器IC，適用于1 至 6 節(jié)的串聯(lián)電池，并支持具有不同電池調(diào)節(jié)電壓的多種電池化學類型。MP2759?采用 QFN-19 (3mmx3mm) 封裝，能夠根據(jù)電池的電壓和電流在四個充電階段之間切換，包括涓流充電、預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電。在電池耗盡時，該器件可以通過“或”選擇電源路徑為系統(tǒng)供電，同時提供保護功能，如使用 JEITA 配置文件提供電池溫度監(jiān)測，以及電池過壓保護 (OVP)。
MP2759的外部 P 溝道電池 MOSFET 支持OR選項電源路徑管理。其電池 FET 的柵極由 IN 引腳信號驅(qū)動。沒有輸入源時，電池 FET 將電池連接到系統(tǒng)；接入輸入源時，電池 FET 關(guān)端，輸入源通過不同的 MOSFET (Q1) 為系統(tǒng)供電。此外，輸入電流限制功能可以通過降低充電電流來防止輸入源過載（參見圖 3）。
窄電壓直流（NVDC）電源路徑管理
窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理是一種常見的方法，它具備的多種優(yōu)勢如下所述：
即使電池電壓很低，系統(tǒng)也可以即時開機
系統(tǒng)電壓追蹤電池電壓，從而可降低充電產(chǎn)生的熱量；而且由于無需承受外部 VIN，因而支持較低電壓的系統(tǒng)設(shè)計
輸入電量不足時，電池可補充系統(tǒng)
系統(tǒng)可以與電池完全斷開，以適應(yīng)運輸模式、過流保護 (OCP) 或欠壓保護 (UVP) 等情況
具備NVDC，充電器IC可以提供兩個獨立的輸出（分別來自系統(tǒng)與電池），從而允許充電器IC將系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)至高于電池電壓。NVDC 還提供運輸模式選項。在運輸模式下，當沒有 VIN時，可以禁用位于電池和系統(tǒng)節(jié)點之間的內(nèi)部電池 FET，從而將電池與系統(tǒng)輸出完全斷開。該功能有效消除了產(chǎn)品未售出時產(chǎn)生的系統(tǒng)電流消耗，從而延長了電池使用時間。
MP2733是一款高度集成的開關(guān)模式電池充電器IC，適用于單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池應(yīng)用。該器件提供 NVDC 電源路徑管理，非常適合平板電腦、無線攝像頭、智能手機和便攜式設(shè)備。NVDC功能可以分別控制系統(tǒng)和電池，并在啟動時給予系統(tǒng)優(yōu)先權(quán)，當電池缺失或深度放電時，系統(tǒng)也能啟動。如果輸入電源在電池耗盡的情況下也可用，則系統(tǒng)電壓將被調(diào)節(jié)至其可調(diào)最小值(VSYS_REG_MIN)。NVDC 架構(gòu)由前端降壓 DC/DC 變換器和置于 SYS 和 BATT 引腳之間的電池 FET 提供支持。圖 4 顯示了MP2733的 NVDC 結(jié)構(gòu)。
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