锂离子电池如何最大限度地延长正常运行时间

　　便携式设备的充电系统在设计中并不总是优先考虑，但它可以在系统的电池寿命中发挥重要作用，并且经过适当优化，可以允许使用比其他方式更小的电池组。不仅需要紧凑型电池管理控制器，还需要在战术上部署智能，以正确优化电力系统。本文将着眼于锂离子化学在充电方面的需求，以及可用于最大化能量输送和存储的技术，并总结可用于该目的的关键解决方案。

　　与镍镉等较旧的技术相比，锂离子 （Li-ion） 电池的化学成分大大提高了便携式设备的功率密度，并因此提高了这些系统一次充电的正常运行时间。锂离子电池的自放电率是镍镉和镍金属氢化物化学物质的一半，这也有助于延长保质期，允许设备在运输时带电，这样客户在使用前不必插上电源。

　　与早期化学物质相比，锂离子电池的缺点是充电比旧技术更复杂。但是，可以采用谨慎的管理来最大限度地提高锂离子电池的功率输出，不仅可以为用户提供更好的体验，还可以缩小设计规模以使用更小的电池。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节省大量成本。

　　锂离子电池的关键问题是它们对过度充电非常敏感，因为过高的电压会引入材料应力，从而缩短电池的使用寿命。如果每个电池的电压超过 4.2 V，它们也会带来安全风险。

　　低成本充电电路通过不将电池充电至实际极限来避免过度充电问题。他们采用所谓的“充电和运行”策略，其好处是看起来很快。该策略利用了锂离子充电曲线的特性，可分为四个关键阶段。第一级对电池使用恒流电源。随着电池充电，其电压或多或少呈线性增加。电压在峰值附近趋于平缓，此时充电器可以停止。但是，此时仅会收取大约 85% 的电量，从而导致使用时间比理论上可能的时间要短。

　　此外，出于安全原因，截止电压通常设置为显着低于最大电压，这进一步降低了施加到电池的最大充电量。3.8 V 的截止电压而不是典型的最大值 4.2 V 导致只有 60% 的电池容量可用。剩余的充电在饱和或恒压阶段进行。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，但这会延长饱和阶段，需要仔细和精确地管理以避免过压。

　　图 1：锂离子电池的充电阶段，包括高温条件下的热调节阶段。

　　很难检测电池何时充满电，因此使用时间或电流水平作为代理来指示电池接近充满的程度。一般来说，饱和充电大约需要两个小时，提供一个合理的设定时间。在饱和充电期间，电流呈指数下降。当此电流达到第一阶段使用水平的大约 3% 时，通常认为电池已充满电，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同时使用电流感应和定时器来管理该过程，以确保如果传感器发生故障，一段时间后电源将被切断，并防止可能导致火灾的金属锂堆积。

　　温度也在控制充电方面发挥作用。在第一阶段，内阻相对较低，电池不会明显升温。一旦进入饱和阶段，电池会变得更热。因此，温度传感器对于确保电池不会过热和安全风险非常重要。电池制造商将为其产品指定安全温度限制，并经常在电池组内提供热敏电阻，可与充电器电路内的 ADC 或比较器电路一起使用。

　　对于深度耗尽的电池，在第一阶段之前需要一个充电过程。这使用涓流充电来恢复耗尽电池的电荷 - 因为它们的电压将低于 3 V 而被检测到。一旦通过涓流过程提供了足够的电荷，电压将升至 3 V 以上，并且是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回路以支持锂离子电池所需的各种充电模式的示例。该器件支持恒流和恒压充电方案，以及一种恒温充电方案，以允许在接近电池热极限的情况下进行有效充电。为了支持高温充电，LTC4065 具有一个热限制电路。这允许根据给定应用的典型而非最坏情况下的环境温度设置充电电流，并确保充电器在最坏情况下会自动降低电流。

　　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，以确保其中一个的漏极电流恰好是第二个的漏极电流的一千倍。用于恒流和恒压操作的独立反馈回路会根据试图最大程度降低充电电流的模式强制充电器进入这两种模式中的任何一种。另一个放大器的输出饱和低，这有效地将其环路从系统中移除。在恒流模式下，它驱动充电电流编程 （PROG） 引脚输出的电压精确到 1 V。PROG 引脚通过使用 1% 容差电阻器 （R编）。当支持恒压模式时，恒压环路将其反相输入驱动到内部参考电压。内部电阻分压器确保电池电压保持在 4.2 V。PROG 引脚电压还指示恒压模式下的充电电流。

　　在典型操作中，充电周期以恒流模式开始——输送到电池的电流等于 1000 V/R prog。如果 LTC4065 的功率耗散导致结温接近 115°C，那么温度限制放大器将开始降低充电电流以将管芯温度限制在大约 115°C。一旦脱离温度限制模式，LTC4065 要么返回到恒定电流模式，要么从恒定温度模式进入恒定电压模式。无论何种模式，PROG 引脚上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，并且只需要两个外部元件。当输入电源被移除时，LTC4065 自动进入低电流状态，从而将电池漏电流降至 1µA 以下。在施加电源的情况下，LTC4065 可以进入停机模式，从而将电源电流降至 20µA 以下。

　　图 2：LTC4065 的充电状态和决策流程图。

　　与 LTC4065 类似，Maxim Integrated 的 MAX1551还具有片上热限制功能，以实现最佳充电，而不受最坏情况下电池和输入电压施加的热限制。当达到热限值时，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，同时内置热传感器来控制温度-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，面向空间有限的便携式应用。这些 IC 设计用于可能未调节的 USB 端口电源或 AC 适配器，具有高输入电压范围和输入过压保护功能。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。

　　尽管锂离子电池需要结合充电技术以充分利用其更高的容量，但直接 IC 支持使构建便携式和可穿戴系统变得更加容易，这些系统可以确保完全充电提供最长的正常运行时间，并允许电池尺寸要减小到重量和寿命之间的最佳折衷。