大容量锂电池的充电

大容量锂电池的充电

2010-05-10 11:17:33 阅读13 评论0 字号:

作者:微芯科技公司George Paparrizos 时间:2008-03-31来源:电子产品世界

  新型便携式电子设计正在不断提升系统性能,设计人员添加新的特性,系统的功率要求也随着其性能提高而增长。这种趋势也导致对容量极大的锂离子电池组进行开发,因为它们能提供充分的系统运行时间。对于大多数便携式消费类产品而言,锂离子电池已经成为{sx}电源。它们与其他类型的电池相比有很多优越性,如能量密度更高和电池电压更高。但是,随着电池可用容量增大以满足当今不断增长的功率要求,用户对于缩短电池充电时间及缩小电池体积的要求随之增加。实现这些要求成为设计人员面临的重大挑战。

  锂离子或锂聚合物电池组的{zj0}充电速率为1C,这意味着一个1000 mAh的电池组要以1A的电流进行快速充 电,以这种速率充电可以实现最短的充电时间,而且不会降低电池组的性能及缩短使用寿命。对于容量不断增加的电池组,欲达到这种满意的充电速率,提高充电电流值是不可避免的。这就导致设计上的一些重大难题,其中最重要的是在充电管理控制器IC内以及在系统板上产生的热量问题。为了解决这些问题,必须进行周密细致的散热设计。下面的分析将表明,在充电管理IC上由集成通路晶体管耗散掉大部分热量,它在很多情况下都是设计性能和运行范围的一个限定因素。

  一节和两节锂电池应用中最常用的充电器类型是线性电池充电器,其功耗可以由下式算出:

  PD=(VDD-VBATTERY)× ICHARGE

  其中PD:功耗

  VDD:输入(适配器)电压

  VBATTERY:电池电压

  ICHARGE:快速充电电流

  上面的公式表明,当输入电压与电池电压之差以及充电电流都高时,最糟的情况就会出现。我们来计算一种典型情况下的功耗,这种情况是汽车适配器或墙上适配器提供5V±10%的供电电压,电池电压为3.0V,而快速充电电流是1A(即对1000 mAh电池以1C的充电速率充电)。在这种情况下功耗为:

  PD=(5.5V-3.0V)× 1A = 2.5W

  MCP7384X提供±0.5%的电压调节精度({zd0}值)。由于电池充电过度和充电不足都会降低电池的性能并缩短使用寿命,所以充电管理控制器IC为电池提供高精度的电压是非常重要的。超过充电结束电压虽然在短期来说能使可用电池能量增加,但是,持续的过度充电会使可用充电次数明显减少,或引发安全问题。另一方面,充电不足会减少电池的可用容量,从而缩短了电池的可用时间。因此,提供xx调节的电压可充分利用电池容量,而且保证使用的安全性。图2和图3表明,只要电压精度稍有降低,电池容量就会大大减小。

  表1给出,对于业界一些最常用的封装类型,假定功耗为2.5W以及{zd0}结温为125℃的情况下,所允许的{zd0}运行环境温度。

  这些结果显然表明,对于大部分封装类型而言,允许的{zd0}运行环境温度对散热设计提出了众多限制。而且,在现实世界中要达到其中的一些运行条件是不实际的。上述计算时所作的假定还没有考虑到最坏情况下的条件。例如,电池可能刚刚被预充电过(即深度放电),这种情况下在开始进行电流调节时,电池电压可能低至只有2.7V。此外,市场中有些适配器对电压的调节可能并不很xx,使用这种适配器后电池充电器接受的输入电压可能会远远高于5V。{zh1},由于新型的应用需要更大的功率,容量超过1000 mAh的电池组也日渐流行。

  有一些电池充电器(如微芯科技公司的MCP7384X)采用了一个外部P沟道MOSFET。分立的MOSFET能够在更高温度下工作,而不会影响可靠性。它们有多种多样的便于散热封装,可使得允许的功耗更大,使得{zd0}运行环境温度更高。可灵活选择满足应用的功耗及电气要求的MOSFET,获得更高的系统性能及成本的优化。图1给出了这种电池充电器系列的一种典型电路。

  当电池电压处于再充电门限以下时,MCP7384X产品自动地启动一次新的充电周期。这能使电池始终保持在接近满电量的水平,随时都处于可用状态。这种操作也导致可靠性更高,因为长时间对锂离子电池进行“涓流充电”会降低它的使用寿命。

  预计未来几年,可使用的便携式设备类型会越来越多,延长电池可使用寿命及缩短电池充电时间无疑对用户来说是非常重要的。电池生产厂商已经在提供新型的小体积锂离子电池组,它们具有大容量以满足当今的功率要求。大容量电池能够延长 使用寿命,但是它们也引发重大的设计挑战。解决这两方面的问题除了要求xx的电压调节以外,还要求使用外部的通路晶体管,它们既能够提供大的充电电流,还能保证较高温度下的稳定性。
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