锂电池充电器及其系统优化

　　小型低成本上网本、超便携 PC (UMPC) 和移动互联网设备 (MID) 正变得越来越流行，并得到了用户的广泛认可。这些便携设备中使用的锂离子 (Li-Ion) 电池充电系统比移动电话中使用的锂离子电池充电系统要复杂得多。理解其电池充电器的诸多要求成为提高系统安全性的关键。本文将讨论锂离子电池充电的许多要求，如：充电系统安全性和充电器与系统之间的性能优化等，还介绍了一个同步开关独立电池充电器IC控制器设计实例，它拥有动态电源管理功能，用于优化上网本应用的适配器额定功率和对电池快速充电。
　　上网本是小型、轻便和低价笔记本电脑的一种快速衍生品，主要用于一般计算和访问网络应用。大多数上网本均使用Intel Atom 微处理器以及2～3块串联锂离子电池组。
　　超便携PC (UMPC) 拥有一个功能强大的处理器，拥有一个 具有触摸功能的4～7英寸的显示屏，可以运行与Windows Vista兼容的软件。超便携 PC 还拥有全球定位系统 (GPS) 设备、指纹识别器、TV 调谐器以及存储卡读卡器等。它由2～3 块串联锂离子电池组供电。
　　移动互联网设备 (MID) 是一种具有多媒体功能的手持式电脑，可以提供无线网络访问，具有双向通信和实时共享功能，专为向个人(非企业用户)提供娱乐、资讯和定位服务而设计。MID 的外形尺寸比智能电话大，但比 UMPC 小，通常使用一个锂离子电池组供电。
　　动态电源管理
　　电池充电电压和电流对电池使用寿命和电池容量至关重要。电池充电电压越高，电池容量也就越高。这些便携设备因其微处理器功耗很低，需要的总功耗低于笔记本电脑，所用的电源适配器功率一般在 40 瓦以下，而笔记本电脑通常使用 60 瓦和 90 瓦的适配器。但是，仍然要求这种适配器在给电池充电的同时为系统供电，从而最小化适配器额定功率。由于微处理器的高脉动功率特性，电池充电以及为微处理器提供最大功率所要求的总功率轻易便超出了适配器的最大可用功率。
　　为了优化系统和电池充电器，我们通过引入最大适配器电流调节环路使用了动态电源管理 (DPM) 功能。如果输入适配器电流达到了调节阈值，则电池充电器自动降低有效充电电流，同时优先为系统供电，以使其不超出适配器的最大功率极限。在为系统供电以后，剩余功率用于对电池充电。一旦脉冲功率终止，充电器便自动恢复最快充电模式，以缩短充电时间(图1)。一种重要的规范是输入电流调节精度。输入电流调节精度越高，适配器提供的功率越多，同时电池充电的速度也就越快。

图 1 动态电源管理的电池充电结构图

　　计算系统和电池充电器安全性
　　a、适配器输入和电池过压保护 (OVP)
　　就笔记本电脑而言，一般使用19-V和16-V的适配器，而5-V 适配器则普遍用于智能电话。上网本、UMPC和MID通常使用这些适配器来节省开发成本，但其往往不要求19V 适配器对1到3节串联电池组充电。此外，IEEE P1725 要求系统包括输入适配器和电池 OVP。如果这些便携式设备遇到过输入电压，则其会阻止您开启系统。如果电池过充，则立即关闭电池充电器。如果出现逆向适配器电压，也不能开启系统。
　　b、电池充电安全性
　　在极低或极高电池温度条件下对锂离子电池充电是很危险的。当电池在4.3V温度达到 175oC 时，LiCoO2 负极材料的锂离子电池可能会爆炸。已发布的许多工业电池充电器安全规定(例如：日本电子和信息技术行业协会 (JEITA) 等)通过减少低或高电池温度下的电池充电电流和电压来达到电池安全充电的目的。
　　要开始充电过程，一般电池充电温度范围在 0oC ～40oC 之间。因此，必须通过电量监测计或充电器来监测电池温度。电池充电系统失效时，安全定时器是另一层保护。当安全定时器终止时，电池便停止充电。
　　c、电池充电器输出短路和过充电流保护
　　对于一些计算应用来说，最为常用的锂离子电池是具有 2200-2600mAh 容量的 18650 锂离子电池。12-V 或 19-V 适配器在 0.7oC 充电率情况下，充电电流约为 2-4A。高效充电要求同步开关降压型拓扑。其还要求在出现元件故障或非正常运行状态(例如：充电器输出短路或电感短路等)时有一个无烟充电系统。充电器需要有此类保护机制来防止起火或冒烟。
　　上网本、UMPC 和 MID 的电池充电器解决方案
　　根据系统优化和安全要求，图2显示了一款适用于上网本应用且具有动态电源管理功能的独立型高效同步开关锂离子电池充电器。这种设计示例使用200mA预充电电流和2A快速充电电流以及 3 小时安全定时器来对2节锂离子电池充电。通过监测输入电流感应电阻R1两端的压降实现DPM功能。同步开关充电器以600kHz 的开关频率工作，以优化效率和解决方案尺寸。外部电阻分压器R11和R12用于设置理想的电池充电电压。要想获得最大的电池容量，请将外部电阻分压器设置为每节电池 4.2V 的充电电压。
　　如欲获得最长电池使用寿命，请将电池充电电压设置为每节电池4.1V。通过让外部功率 MOSFET 适合于许多没有主控制器的不同电池充电应用，这种情况可以将1到6节锂离子串联电池充至10A。其还拥有其他保护功能，例如：输入过压、电池充电过压、电池短路、过充电电流保护等，并自动监测电池温度，以达到安全充电的目的。

图2 上网本充电器设计实例

随着便携式计算设备的发展，其拥有了更多的特性，这时电池充电和系统设计便成为获得高安全和高性能系统最重要的设计因素。