关于能量输送和储存的锂离子电池充电方案

锂离子与镍镉等旧技术相比，锂离子电池化学技术极大地提高了便携式设备的功率密度，并且随之而来的是单次充电时这些系统的正常运行时间。锂离子电池的自放电率为镍镉和镍金属氢化物的一半，这也有助于保质期，允许设备充电，以便客户在使用前不必购买。

与早期化学相比，锂离子的缺点是充电比旧技术更复杂。然而，可以采用谨慎的管理来最大化锂离子的功率输送，不仅为用户提供更好的体验，而且还允许缩小设计以使用更小的电池。由于电池在可穿戴设备的尺寸和重量中占很大比例，因此通过将一个充电电路替换为另一个充电电路可以实现的任何节省都是显着的。

锂离子电池的关键问题电池是因为它们对过度充电非常敏感，因为过高的电压会引起材料应力，从而缩短电池寿命。如果充电超过每个电池4.2 V的电压，它们也会带来安全风险。

低成本的充电电路可以避免过度充电问题，因为电池没有达到实际极限。他们采用了所谓的“充电和运行”策略，这种策略具有看起来很快的优点。该策略利用了锂离子充电曲线的特性，可将其分为四个关键阶段。第一阶段使用恒定电流供给电池。随着电池充电，其电压或多或少线性增加。电压在峰值附近变平，此时充电器可以停止。但是，此时仅充电约85%，导致使用时间比理论上要低。

此外，出于安全考虑，截止电压通常设置得低于最大电压，进一步降低了施加在电池上的最大电荷。截止电压为3.8 V而不是4.2 V的典型最大值，因此只有60%的电池容量可用。充电的其余部分在饱和或恒定电压阶段期间执行。虽然快速充电器可以通过增加充电电流来减少达到饱和阶段所需的时间，但这具有延长饱和阶段的效果，需要仔细和精确地管理饱和阶段以避免过应力。

图1：锂离子电池的充电阶段，包括在高温条件下的热调节阶段。

很难检测到电池充满电，因此时间或电流水平用作代理，以指示电池已接近完全充电的程度。通常，饱和充电大约需要两个小时，从而提供合理的设定时间。在饱和充电期间，电流呈指数下降。当该电流达到第一阶段所用电平的约百分之三时，电池通常被认为是完全充电的并且该过程可以停止。饱和充电期间使用的电压需要调节到百分之一或更好。执行饱和充电的电路可以使用电流检测和定时器来管理过程，以确保如果传感器发生故障，电源将在一段时间后切断，并防止金属锂积聚，从而导致火灾。

温度也在控制充电中起作用。在第一阶段，内阻相对较低，电池不会显着升温。一旦进入饱和阶段，电池就会变得更暖和。因此，温度传感器对于确保电池不会过热并存在安全风险非常重要。电池制造商将为其产品规定安全温度限制，并且通常在电池组内提供可与充电器电路中的ADC或比较器电路一起使用的热敏电阻。

对于深度耗尽的电池，需要在第一阶段之前进行充电过程。这使用涓流充电来恢复耗尽电池的电荷 - 检测到它们的电压将低于3 V.一旦通过涓流过程提供足够的电荷，电压将升至3 V以上并且正常的第一阶段充电过程可以接管。

凌力尔特公司的LTC4065充电器IC采用小尺寸DFN封装，提供了如何组织反馈环路以支持锂离子电池所需的各种充电模式的示例。该器件支持恒定电流和恒定电压充电方案，以及一个恒定温度，以允许有效充电接近电池的热限制。为了支持高温充电，LTC4065具有热限制电路。这样可以根据给定应用的典型环境温度(而非最坏情况)设置充电电流，并确保充电器在最坏情况下自动降低电流。

在LTC4065中，三个放大器反馈环路控制恒定电流，恒定电压和恒定温度模式。第四个放大器反馈回路用于增加电流源对的输出阻抗，以确保一个的漏极电流恰好是第二个的漏极电流的一千倍。用于恒定电流和恒定电压操作的单独反馈回路迫使充电器基于试图最大程度地降低充电电流的任何一种模式。另一个放大器的输出饱和，从而有效地从系统中消除了它的环路。当处于恒流模式时，它将充电电流编程(PROG)引脚的电压输出精确驱动为1 V. PROG引脚通过使用百分之一容差电阻(Rprog)对电流进行编程。当恒压模式受到青睐时，恒压环路将其反相输入驱动至内部参考电压。内部电阻分压器可确保电池电压保持在4.2 V. PROG引脚电压也可指示恒压模式下的充电电流。

在典型工作中，充电周期始于常数 - 电流模式 - 输送到电池的电流等于1000 V/Rprog。如果LTC4065的功耗导致结温接近115°C，则限温放大器将开始降低充电电流，将芯片温度限制在大约115°C。一旦退出温度限制模式，LTC4065将返回恒流模式或从恒温模式进入恒压模式。无论模式如何，PROG引脚的电压都与输送到电池的电流成正比。

内部定时器电路和涓流充电管理完善了有效锂离子电池管理所需的功能。该器件提供±0.6%的浮动电压精度，仅需两个外部元件。当移除输入电源时，LTC4065自动进入低电流状态，将电池漏电流降至1μA以下。施加电源后，LTC4065可进入关断模式，将电源电流降至20μA以下。

图2：充电状态流程图LTC4065的决定与此类似。

与LTC4065类似，Maxim Integrated的MAX1551还具有片内热限制功能，可实现最佳充电，而不受最坏情况电池和输入电压的热限制。当达到热限制时，MAX1551和MAX1555不会完全停止充电，而是逐渐降低充电电流，有助于在系统冷却时保持功能。

采用SOT23封装，类似于MAX1551和MAX1555，由Microchip Technology开发的MCP73811提供恒压和恒流充电，后者仅通过外部电阻进行编程，并配有内置热传感器控制温度限制充电。

德州仪器(TI)的bq2409x系列器件是高度集成的线性充电器器件，面向空间受限的便携式应用。这些IC设计用于USB端口电源或可能不受调节的AC适配器，具有高输入电压范围和输入过压保护。 bq2904x执行调节，恒流和恒压充电。在所有充电阶段，内部控制回路监控IC结温，并在超过内部温度阈值时降低充电电流。

虽然锂离子电池需要充电技术的组合以充分利用更高容量的直接IC支持使得构建便携式和可穿戴系统变得更加容易，可以确保完全充电可以提供最长的正常运行时间，并且可以将电池尺寸减小到重量和寿命之间的最佳权衡。