符合3C需求的充电控制

运用充电电池的任何系统设计人员需要注意某些基本设计技巧，以确实符合以下三大需求：

电池安全性（Cell Safety）

用户的安全性应该是任何系统设计的最首要考虑。锂离子及锂聚合物电池组内含防护电子装置，然而系统层级也有其他重要的考虑，其中包括（但不限于）确保锂离子电池最后充电阶段的电压调节容差为1％、可针对电量即将用尽的电池进行安全处理的预先调节模式、安全性定时器及电池温度监测。

电池容量（Cell Capacity）任何电池充电解决方案必须确保电池每次充电都能够完全充满。充电过早终止会导致使用时间缩短，这对于现今亟需用电的便携设备而言相当不理想。

充电周期（Cycle-Life）

采用建议的充电算法，是确保用户充分运用各电池组最大电量的重要步骤。若要使电池使用时间达到最长，必须控制每次充电的电池温度及电压、预先调节电量即将用尽的电池，并且避免充电过晚或不当终止。

选择电池化学材料

现今的系统设计人员可以选择多种化学材料，设计人员一般会根据以下多项标准选择化学材料：

虽然近年来偏向采用锂离子及锂聚合物化学材料，但是镍质化学材料也运用于许多消费性产品应用。无论选择何种化学材料，都必须采用各种化学材料适用的充电管理技术。这类技术可确保每次都将电池充电到最大容量，而不损及安全性或电池的周期寿命。

镍镉 /镍氢

开始充电前，必须确认镍镉及镍氢电池的条件，并且可能需要进行调整，才能够进行快速充电。如果电池电压或温度超过限度，则禁止进行快速充电。基于安全考虑，温度过高（一般超过45℃）的电池不可继续充电，必须等到电池降温到正常的操作温度范围再继续。为了调节温度过低（一般低于10℃）或过度放电的电池（一般各电池低于1V），需要少量的定电压限电流。

电池温度及电压都在有效范围内时，即可快速充电。镍氢电池一般以1C（含）以下的稳定电压进行充电，某些镍镉电池的充电速度则可达到4℃。适当的充电终止可避免有害的过度充电。

对于镍质充电电池，可根据电压或温度进行快速充电终止。如图一所示，一般采用的电压终止方法是峰值电压侦测，当各电池的峰值电池电压介于0至–4mV的范围内时，便会终止快速充电。温度方法则是以电池温度升高的速率T/t来侦测是否完全充电。一般T/t速率为每分钟1C。

《图一 镍质电池的充电配置》

锂离子/锂聚合物

同样地，镍镉、镍氢及锂离子电池必须经过调整及配置，才能进行快速充电，采用类似前述的条件控制及调节方法。

如图二所示，经过调整及预先调节，锂离子电池会先以1C (含) 以下的电流进行充电，直到电池达到充电电压限制为止，此一阶段的充电一般可充电到70％的程度。此后电池会继续以一般为4.2V的稳定电压进行充电，为了达到最大的安全性及可用容量，必须将充电电压调节为1%。在此一阶段的充电期间，电池引入的充电电流会逐渐减少。一旦电流量低于1C充电速率下初始充电电流的10％至15％时，一般便会停止充电。

《图二 锂质电池的充电配置》

切换模式及线性充电拓朴

长久以来，手持装置都使用线性充电拓朴，此方法能够为设计人员达到多项优点，例如低实作成本、设计简便性，以及不需高频率切换的「无噪声」运作。然而，线性拓朴会使得系统造成功耗，尤其较高的电池组容量会造成充电速率增加。如果设计人员无法管理设计的散热问题，这会是重大的缺陷。

另一项重大缺陷是，以PC的USB端口做为电源。现今许多便携设备都提供USB充电的方式，其充电速率可达到500mA。由于线性充电拓朴的效率不彰，因此可从PC的USB输出的电量不多，因此充电时间相当长。

切换模式拓朴便因此应运而生，其主要优点在于效率提高。与线性稳压器不同的是，电源切换是在饱和区域中操作，这可有效降低整体漏失。降压式转换器功率损耗的主要来源是电源切换中的切换损耗，以及滤波器电感中的直流电损耗。视设计参数而定，这些应用的效率也经常超过95％。

大多数的人听到切换模式，总是联想到大型IC、大型PowerFET和超大型电感。虽然这类应用确实处理数十安培的电流，但是手持装置的新一代解决方案已非如此。新一代的单颗锂离子电池切换模式充电器可达到最高的硅产品整合度，并使用1MHz以上的频率以大幅减少电感的大小。图一显示现今可用的这类解决方案。高位及低位PowerFET整合的硅产品大小均小于4mm2。此解决方案的切换频率为3MHz，需要宽2mm、长2.5mm、高1.2mm的小型1uH电感。

---作者为TI德州仪器产品线管理部门总监---

参考数据