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快速发展的电池充电器IC




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  锂离子电池因高能量密度的特点越来越受到人们的欢迎。但是,再强劲的锂离子电池也有能量耗尽的一刻,只有跟充电器完美的配合,它才能发挥最大潜能。于是,在锂离子电池大放异彩的今天,充电器芯片也得到了越来越多的关注。

  多方面的挑战

  锂离子电池的容量还在不断地增大。而且,在很多场合中,多节锂离子电池要串联或并联在一起供电。在这种情况下,快速充电能力就成为了衡量充电器IC的重要因素。而充电器IC的充电速度主要由充电电流来决定,所以各家厂商都在尽力加大充电器IC的快充电流。其次,充电器IC的效率也是个重要问题。特别是在能源紧缺的大环境下,如何提高充电器的效率就显得尤为重要了。第三,充电器IC的灵活性。因为锂离子电池的充电过程是非常复杂的,这就要求充电器IC能有相适应的办法。而且,各种终端设备的用电情况也不相同,使得充电器要有很强的适应能力。第四,则是充电的安全问题。近两年内,有关锂离子电池自燃、爆炸的事故经常出现。虽然大多事件跟充电无关,但充电的过程中这个危险也同样存在。过流或过压的情况都会使锂离子电池的温度陡然升高,最后燃烧爆炸。所以,安全性问题是绝对要倍加重视的。最后,充电器的小型化趋势明显,这就同时意味着充电器IC在功能更加丰富的同时,继续缩小自己的尺寸。

  活跃的充电器IC市场

  虽然挑战诸多,但充电器IC的市场还是非常诱人的。据有关方面统计,中国去年全年就生产了几亿个充电器,而这个数字在今后还会继续增长。所以,各个电源芯片厂家纷纷推出各式充电器芯片。在本年内,就有多款芯片问世。这其中,有Freescale公司的MC3467x系列,Maxim公司的MAX17005/MAX17006/MAX17015,Linear公司的LTC4061,TI公司的bq24083等。它们除了具备快速充电,高效率和多重防护能力外,并还有着自己的特点。比如,MC3467x系列就内置了寄存器,可以根据客户的需求,在生产流程结束时对管脚输出、功能集和充电参数、LED指示灯进行定制,从而组合成数百种配置,满足多种应用。图1是MC3467x的简明结构。

图1 MC3467x系列内部结构

  精确控制

  前面提过,锂离子电池的充电过程比较复杂。在充电初期,充电器要以恒定电流充电,直到电池电压达到充电电压限度。该阶段一般能完成60%~70%的充电量。然后,电池再以恒定电压进行充电。此恒压值一般处于4.1~4.2V之间,电压准确率要在±1%之内。此处就是体现充电器IC功力的地方,优秀的充电器IC,其电压准确率都很高。以MC3467x系列为例,MC34671和MC34673在-20~+70℃温度范围内的输出电压精度为±0.7%(室温下为±0.2%),在-40℃~+85℃温度范围内的充电电流精度为±5%和±6%。精确的电压控制使得电池在不受损害的条件下,可以充至最大电量。这样既延长了电池寿命,又减小了能耗损失。

  在恒流和恒压充电方式之外,锂离子电池还存在一种充电模式,那就是涓流充电。这种方式存在的原因是存放很长时间的已放电电池可能处于深放电状态,对其进行大电流充电,会造成一定损害。在这种情况下,在进行完全充电过程之前要先来一段时间的小电流充电。对于MC3467x系列来说,当电池电压小于涓流模式阈值电压的时候,涓流充电模式启动,芯片以恒流充电电流20%的大小来进行充电。

  对于充电器IC来说,对充电过程的控制是最为重要的。以MC3467x系列为例,在最后的恒压充电过程中,当充电电流降至EOC(充电截至)电流的时候,充电IC会通过CHG信号通知用户电池已充满,但是充电过程并没有终止,芯片会继续输出精确的锂电池充电终止电压4.2V,并对电池电压继续监控,当其低于再充电电压阈值时(负载电流大于恒流充电电流导致电池放电,电压下降),充电器会重新发出充电信号,将电池恢复到满充状态。整个充电过程如图2所示。

  对于充电器IC来说,充电电流是可以设定的。通过调整外接电阻,就可改变输出电流。另外,像EOC电流、再充电阈值、涓流充电压阈值也都是可以设定的。这样,就使得充电器IC的适应性大为增加。

图2 充电过程电压曲线

  多重防护

  对于充电器来说,最容易出现的问题就是错接AC适配器,过高的输入电压会损害充电器。为此,很多充电器都调高了可接收的输入电压。如MC3467x系列,其能接收的输入电压就为28V。这样就使用户不用担心错接AC适配器。

  当然,防护的重点还是在充电过程中。首先,要防止充电电压超过锂电池额定电压。其次,要防止恒流充电时的电流过大。再次,在大电流充电的场合,充电器要有检测电池温度的电路及温升速度(ΔT/Δt)电路,若电池达到某一设定温度或温升速度时,会自动终止充电,防止出现不安全情况;为了安全,充电器还设有充电定时器,以防止充电时间过长所带来的损害。对于具体的产品来说,像MC3467x系列,其就具有过压保护、超时检测、充电电流热过载保护等功能。并且,这些功能的阈值参数也可以设定,极大方便了用户的调试和使用。

  结语

  充电器IC的发展趋势就是精确、安全和小型化。同时,还有更加多的数字技术融入其中。像是I2C接口,已经出现在很多芯片其中了。而且,取电方式也从单一的适配器向USB兼容方向发展。相信随着微电子技术以及电池技术的发展,充电器IC还会有更大的发展空间。

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