與某些只需簡單的電流源即可完成再充電的電池不同，鋰離子電池有著特殊的需求，為滿足需要各半導(dǎo)體廠商推出了種類繁多的IC。半導(dǎo)體業(yè)界將這些產(chǎn)品歸入“電源管理”或“電池管理”一類。盡管電池看上去象簡單的雙端器件，但用戶必須注意使用方法，才能從中汲取最大的電力。

在電池管理IC領(lǐng)域，每一家制造商在將功率從電源傳送給負(fù)載方面所采取的方法都不同，他們提供了大量的應(yīng)用信息，以方便工程師設(shè)計出電池管理電路。本文將集中討論充電問題，關(guān)注如何管理幾種電源的供電并測量電池中的能量。

下面列出設(shè)計者希望電池管理IC具有的基本特性：

設(shè)計者希望通過外部元件及充電器IC對充電電流進(jìn)行編程設(shè)定或者通過一個連接到主控微處理器或微控制器的簡單接口(如I2C)對其量值進(jìn)行編程設(shè)置。一個獨立的充電器不需要動態(tài)編程能力，但若設(shè)計者計劃讓處理器控制充電操作，他們可能會希望實時動態(tài)的對電流進(jìn)行設(shè)置。

設(shè)計者需要選擇一個充電結(jié)束電流，以便讓電池管理IC明白電池何時已經(jīng)充滿。對于鋰離子電池而言，一般在電流大致下降到其正常值10％的時候停止充電。但設(shè)計者可以選擇，譬如說，電流下降到正常值的15％來作為停止充電的極限。他們可以通過調(diào)整連接到IC引腳上的外部元件的參數(shù)值或者通過到一個處理器的接口連接來調(diào)節(jié)這一設(shè)定點。設(shè)計者還希望能選擇不同的端電壓，如4.1V 或4.2V，以照顧到不同化學(xué)原理的需要或者應(yīng)付來自不同供應(yīng)商的電池。

一路或多路充電狀態(tài)輸出可以指示充電循環(huán)進(jìn)行到何種程度。這些信息一般是通過LED來顯示的，而且LED還可以指示充電器的一些其他狀態(tài)，如預(yù)充電、恒流、恒壓或者充電結(jié)束等。這些輸出還能根據(jù)情況向主控制器或者其他電路示警?？色@得的狀態(tài)指示功能取決于設(shè)計者選擇的IC型號。

設(shè)計者還必須考慮安全性，如果充電器IC過熱的話，它應(yīng)該能讓充電終止或者切斷到電池的連接。National Semiconductor公司的便攜式電源系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)主管Bruno Kranzen推薦在設(shè)計中加入看門狗定時器。“電路不應(yīng)當(dāng)試圖對一個有缺陷的電池?zé)o限期的充電下去，因為這樣做會損壞電池以及由其供電的系統(tǒng)。”

大多數(shù)鋰離子電池組件內(nèi)帶一個熱敏電阻，這樣當(dāng)電池過熱時，相應(yīng)的管理IC可以中斷充電過程。舉例來說，當(dāng)電路試圖對電池進(jìn)行過充電或者將過大的電流灌入嚴(yán)重耗盡的電池時，就會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。在進(jìn)入正常的充電循環(huán)前，耗盡的電池可能需要先以一個較低的電流(通常小于100mA)進(jìn)行預(yù)充電。

(a)National Semiconductor 公司推出的新式LM3658

(b)Texas Instruments公司的bq24020DRC

圖1  兩種器件執(zhí)行類似的功能—從AC適配器或者USB連接處獲得電能來對鋰離子電池充電。外部的信號啟動這些充電器IC，并設(shè)定USB電流

圖2  鋰離子電池和外接電源通過Linear Technology LTC4055芯片與設(shè)備連接。該芯片控制電力發(fā)送的方向——到設(shè)備、到電池還是同時給兩者供電。該芯片的兩種狀態(tài)通過LED發(fā)光以指示電路的工作情況

發(fā)熱會造成損傷

“發(fā)熱還有另一方面的原因。” Texas Instruments公司的電源管理產(chǎn)品營銷經(jīng)理Peter Fundaro認(rèn)為。一個控制FET的線性充電器會發(fā)熱，所供電的設(shè)備也會發(fā)熱，而且處于充電狀態(tài)的電池亦會發(fā)熱。發(fā)出的熱量將使溫度升高而使充電器關(guān)閉。但由于設(shè)備繼續(xù)在外電源驅(qū)動下運行，它的使用者會認(rèn)為電池已經(jīng)充滿，但事實上并沒有。

如果想讓機(jī)器在充電的同時保持運行，那么發(fā)熱會造成一些隱患。以前沒有遇到此類問題的設(shè)計者常常要付出艱苦的努力才能弄清出現(xiàn)了什么問題、如何去解決。

意識到上述的基本需求，IC供應(yīng)商Linear Technology、National Semiconductor、Texas Instruments以及其他廠商已經(jīng)設(shè)計出各種各樣的器件，可以讓設(shè)計者選擇如何控制便攜式裝置中的電池電源(圖1)。可供選擇的范圍覆蓋了從專用的獨立電池管理IC到由處理器控制的器件等各種類型的產(chǎn)品。

但很多設(shè)計者并不想對充電過程進(jìn)行那么多的控制，各公司為他們提供了各種獨立的、能提供多種功能的IC。“我們提供能自動選擇電源的IC—首先是電池、然后是電池或墻上電源適配器—以確保系統(tǒng)的供電不中斷，” Gurries說。“我們已經(jīng)把這種‘綜合能力’放入硬件中了。”

那些想通過微處理器或微控制器來進(jìn)行電池管理的工程師們，必須先確保處理器能處理好其主要任務(wù)。因此設(shè)計者必須平衡好這些任務(wù)所需的資源和管理電池的電路所需資源之間的分配關(guān)系。對于完整的電池控制來說，處理器可能需要提供模擬和數(shù)字I/O引腳，在某些情況下可能還需要為電池管理電路執(zhí)行定時器和脈寬調(diào)制器功能。“設(shè)計者還必須寫出監(jiān)管電池管理任務(wù)的代碼，以監(jiān)測溫度、檢查電池充電水平等等。”TI的Fundaro先生強(qiáng)調(diào)。

分接若干種電源

無論設(shè)計者使用獨立的還是基于處理器的電池管理電路，都需要連接到外部電源上，以便對電池進(jìn)行充電、或者提供輔助供電。供電方式的多樣化又帶來了另一些挑戰(zhàn)。“當(dāng)便攜式設(shè)備包含一個電池和一個AC適配器或者墻上電源適配器時，最好還是在適配器供電下工作。”Fundaro說，“但若是用戶切斷了AC適配器的連接，電源系統(tǒng)必須切換到電池上，而且不能讓設(shè)備關(guān)機(jī)，這正是這些IC所能執(zhí)行的另一項功能。”

能依靠多種電源供電的設(shè)備中電池管理電路必須要確定：

“這是難以解決的問題，”Linear Technology公司的產(chǎn)品營銷工程師Tony Armstrong說。當(dāng)用戶將一個典型的電池供電的系統(tǒng)連接到AC適配器上時，所有電能必須首先流經(jīng)一個線性電池充電器到電池，然后由電池來驅(qū)動系統(tǒng)。這種安排使效率降低了30％，因為很多電力浪費在充電器上。如果系統(tǒng)裝的電池已經(jīng)耗盡，電池充電器就將所獲得的大多數(shù)電力耗散掉，這些電能不會到達(dá)便攜式設(shè)備或者充入電池中。“我們稱之為充電器饋電系統(tǒng)”Armstrong說，“因為電池始終為系統(tǒng)供電，所以當(dāng)你切斷連接時，你的電池并沒充滿電。”

另外，人們會用USB端口作為電源嗎？當(dāng)然。USB端口可以發(fā)出100mA的電流，而與之相連的裝置與USB主控協(xié)商后可以汲取高達(dá)500mA的電流。對電池充電標(biāo)準(zhǔn)而言，這一電流水平看上去并不高，但如果一個USB裝置內(nèi)帶一個電池的話，它就能利用外部提供的任何電流源進(jìn)行充電。因此如果有人將一個移動電話或者數(shù)碼照像機(jī)連接到一個USB端口上時，他們不用花費很大代價就可以在器件保持連接的時間里對電池進(jìn)行充電。

National Semiconductor公司的Kranzen還補(bǔ)充說，“人們喜歡以一個USB來作為‘油料補(bǔ)給源’。他們可以利用筆記本電腦通過USB端口對移動電話、PDA或所帶的任何便攜式設(shè)備進(jìn)行充電，這樣就無需在旅行的時候另外再帶個充電器了。”

保留適當(dāng)?shù)碾娔?/span>

無論人們?nèi)绾螌σ粋€鋰離子電池進(jìn)行充電，或者使用其電源，他們都想了解電池中還剩余多少電力。電池“油量計”將提供該信息，指示方式常常是條形圖或者其他的顯示器指示。精確的顯示剩余電力的情況，可以盡可能地延長用戶使用其便攜式設(shè)備的時間。這種電量計具有的獨特優(yōu)勢在于：對剩余電力的精確測量可以讓設(shè)備以適當(dāng)?shù)姆绞疥P(guān)閉，這樣它能夠在設(shè)備完全用盡電力之前將數(shù)據(jù)存入磁盤，對系統(tǒng)信息進(jìn)行備份等等。TI公司的Fundaro評價說：“如果一個裝置不能準(zhǔn)確的指示電力水平的話，人們?yōu)橘徺I昂貴的大容量電池所投入的金錢就未得到應(yīng)有的回報。由于不知道離電池用光還有多遠(yuǎn)，他們就會過于頻繁地對電池進(jìn)行充電，或者充電不充分。”

與一個能直接測量出燃油液位的汽油油箱內(nèi)置傳感器不同，電池電量計對流入和流出電池的電子流進(jìn)行測量。這種非直接測量具有自身的一些問題。“設(shè)計者需要記住的是，在一個應(yīng)用中，比如說1A-h容量的電池，并不能一直提供如此大的功率，”Fundaro說。“讓電池快速放電就會使能汲取的電能容量減少，但溫和的放電可以釋放出超過額定容量的電力。電量計電路必須根據(jù)裝置從電池中吸取電力的方式來確定電池的容量情況。”

與大多數(shù)儀表一樣，油量計需要定期的校準(zhǔn)。這些重新校準(zhǔn)或者重新設(shè)定過程必須在特定條件下進(jìn)行，由系統(tǒng)設(shè)計者進(jìn)行規(guī)劃。當(dāng)電池管理IC確認(rèn)電池?zé)o法再發(fā)出電力時，IC就讓“油量歸零”，指示電池中沒有電量剩余。利用存儲在電池管理IC的EEPROM或者FLASH存儲器中的數(shù)據(jù)或者連接到管理IC引腳的元件，就能完成電量計重設(shè)。

但是，若一個電池經(jīng)歷多次能量很小的充、放電循環(huán)之后，電池就永遠(yuǎn)也達(dá)不到能讓電量計歸零的“用空”狀態(tài)。在這種情況下，電池管理電路可以通知設(shè)備將電池完全放電，以便能完成歸零操作，或者電池管理IC根據(jù)環(huán)境條件和電池使用循環(huán)等情況將其電量計數(shù)據(jù)歸零。一些電池管理IC監(jiān)測使用模式并據(jù)此對計量過程進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整(見圖3)。

Fundaro解釋說：TI正在研究一種新算法，以電池的阻抗來計算出剩余容量。“隨著時間的流逝，內(nèi)阻抗將會增加，因此電量表可以使用這一信息來弄清電池的容量變化了多少。下一代阻抗追蹤技術(shù)將減少某些應(yīng)用中出現(xiàn)的電量計誤差累計現(xiàn)象。”

不要被這些儀表的可編程特質(zhì)嚇到，芯片廠商提供了充分的、關(guān)于電量計電路實現(xiàn)和任何固件操作方面的信息。