基于鋰離子電池的應(yīng)用設(shè)計Designing Applications with Lithium-Ion Batteries 1. 概述與其它類型的二次電池相比，鋰離子電池具有以下優(yōu)點：重量輕，其能量密度是鎳-鎘電池的兩倍；自放電比鎳-鎘電池少6?8倍；沒有記憶效應(yīng)；單元電壓大約3.6伏，屬于較高水平，通常能滿足大多數(shù)應(yīng)用的需要。這些特點讓鋰離子電池在便攜式電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。
圖 1. 容量從200毫安到2800Ah的電池 圖 1 示出了幾種典型的鋰離子電池樣品，它們被使用在不同的應(yīng)用中，容量范圍從 200mAh 至 2,800mAh。標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子電池通常使用剛性的外殼，鋰聚合物電池則通常使用柔性或是袋狀的外殼，這可以使它們的外形尺寸更小、重量更輕。 在進(jìn)行鋰離子電池的應(yīng)用設(shè)計時，必須了解電池的充放電特性以確保設(shè)計出的產(chǎn)品是安全的而且電池的壽命是最優(yōu)化的。 2. 使用單顆鋰離子電池供電的應(yīng)用當(dāng)使用單顆鋰離子電池作為應(yīng)用的電源輸入時，必須考慮到電池在放電時的電壓變動范圍，其值通常為4.2V至3.0V。面對這樣的電壓變化范圍，大部分的應(yīng)用都需要采取某種形式的電壓調(diào)節(jié)措施。
圖 2. 典型的 2000mAh 鋰離子電池放電曲線 圖 2 顯示了一款 2,000mAh 鋰離子電池的典型的放電曲線，其電壓從充滿時的4.2V一直變化到完全放電時的3.0V。不同的放電率表現(xiàn)出不同的電池容量，在較高的放電電流下，電池容量達(dá)不到額定值，電池電壓因為電池的內(nèi)阻而出現(xiàn)了較大的跌落。 立锜科技提供了眾多的線性穩(wěn)壓器、Buck、Boost和Buck-Boost等各種架構(gòu)的電壓轉(zhuǎn)換器，它們可在此輸入電壓范圍內(nèi)工作。 對于低功耗的應(yīng)用，它們給電池造成的負(fù)擔(dān)很小，這時可以采用超低靜態(tài)電流的低壓差線性穩(wěn)壓器，例如 RT9063 ，它的自身耗電只有1μA，這在低功耗的應(yīng)用中表現(xiàn)出明顯的好處。
圖 3. RT9063-25 在低功耗系統(tǒng)中的應(yīng)用 大多數(shù)低壓 Buck 架構(gòu)轉(zhuǎn)換器在面臨電池電壓降低到接近輸出電壓的狀況時可以將占空比擴(kuò)展到100%，這樣可以最大限度地擴(kuò)展電池電壓的可用范圍， RT8059是這樣的典型產(chǎn)品之一。
圖 4. RT8059能在輸入電壓接近設(shè)定好的輸出電壓時維持穩(wěn)定的輸出 Boost轉(zhuǎn)換器的例子有RT9276，它能生成穩(wěn)定的5V電壓為USB接口供電，同時還能提供電池電壓過低檢測功能。
圖 5. RT9276-50 可輸出穩(wěn)定的5V電壓為USB借口供電，同時提供電壓過低檢測功能 RT6150A 和 RT6154A 是Buck-Boost架構(gòu)的器件，它們能在Buck模式和Boost模式之間無縫切換，對于那些輸出電壓介于電池電壓的最高值和最低值之間的應(yīng)用是最佳的選擇。
圖 6. 當(dāng)電池電壓低于VOUT時，RT6150A自動從降壓模式切換成升壓模式 恒流輸出的Boost 轉(zhuǎn)換器常被用于鋰離子電池供電的多只LED串聯(lián)驅(qū)動，電荷泵（+恒流源）的架構(gòu)則常常用于單只或多只LED并聯(lián)連接的場合。Boost架構(gòu)的RT9285B和RT9293B 常被用于中小功率的場合，多串LED的驅(qū)動則是RT8532這樣的具有多個恒流輸出通道的器件的天下，常常在大型面板背光驅(qū)動中出現(xiàn)。
圖 7. 可用PWM信號進(jìn)行調(diào)光的RT9285B可驅(qū)動4顆白光LED 常規(guī)應(yīng)用提示 : 大部分開關(guān)型轉(zhuǎn)換器都具有輕載時的效率增強(qiáng)模式，因而擴(kuò)展了電池的應(yīng)用范圍。 鋰離子電池對過放電非常敏感，這是為什么許多電池單元中都內(nèi)建了欠壓保護(hù)電路 (Under Voltage Protection, UVP) 的原因，它們能在電池被放電到電壓低于2.5V時將電池從電路中斷開，避免過度放電。最好的做法還是在電池內(nèi)建的保護(hù)電路動作以前就對電池進(jìn)行再充電或是將其從電路系統(tǒng)中斷開以確保安全。 對于僅僅使用陶瓷電容作為輸入電容的系統(tǒng)來說，在進(jìn)行電池安裝時，由電池連接線的電感和系統(tǒng)中的具有很低的等效串聯(lián)電阻的陶瓷輸入電容在接入過程中所形成的電流沖擊很容易形成自激過程，它所形成的電壓振鈴信號很容易出現(xiàn)過高的電壓并對系統(tǒng)元件構(gòu)成威脅，電路設(shè)計者應(yīng)該對此表現(xiàn)進(jìn)行檢查以確保熱插入過程不會形成超過IC輸入端規(guī)格的過電壓，確保應(yīng)用的安全。 3. 鋰離子電池的充電方法對鋰離子電池進(jìn)行充電時需要特別小心，因為過度充電會導(dǎo)致不安全的狀況發(fā)生。大多數(shù)鋰離子電池充電器都具有預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電、電流切斷功能，如圖 8 所示。
圖 8. 鋰離子電池充電模式 充電時的最高電壓需要被精確地控制以在充電量和電池壽命之間取得平衡。在電池被深度放電以后，充電器會先提供一個很低的預(yù)充電電流對電池狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整以便可以進(jìn)行正常充電。預(yù)充電電流也同時具有重設(shè)電池模塊內(nèi)部的欠壓保護(hù)電路工作狀態(tài)的作用。 在恒流充電期間，對電池的充電由設(shè)定的電流來進(jìn)行，通常在0.5C到0.7C之間。(C為電池容量，單位是Ah)。 當(dāng)電池電壓被充電到靠近設(shè)定的電壓（這個值通常為4.2V或4.35V，依據(jù)電池的種類不同而不同）時，充電器將轉(zhuǎn)入恒壓充電模式，充電電流將逐漸地自然降低。這里提到的設(shè)定的電壓是容許的最高充電電壓，它必須被精確地控制以避免過充電的發(fā)生，那樣將會導(dǎo)致電池的損害，并且導(dǎo)致不安全狀態(tài)的出現(xiàn)。 當(dāng)電池的電壓被調(diào)整到一個穩(wěn)定的電壓并且充電電流低于預(yù)先設(shè)定的占額定充電電流的某個百分比以下時，可以認(rèn)為電池已被充滿，充電過程將會終止。不建議對電池進(jìn)行持續(xù)的涓流充電，這將導(dǎo)致電池的壽命縮短。當(dāng)電池電壓下降到某個水平時，這個水平通常是指低于額定充電電壓0.1V~0.2V，大部分充電器都會對電池進(jìn)行再充電的動作，其方法和結(jié)束的條件與上面所述的相同。 當(dāng)電池要進(jìn)入長期不用的狀態(tài)時，最好的做法是將它們放電到電池容量的40%左右（約3.7V）以降低對其壽命的影響。 在對電池的充電過程中，需要對它的溫度進(jìn)行監(jiān)控，溫度太高或太低時需要停止充電過程。對于大多數(shù)鋰離子電池來說，正常充電的電池溫度范圍是10°C ~ 45°C，當(dāng)電池溫度低于0°C或是高于60°C時，充電應(yīng)當(dāng)被禁止。 立锜科技擁有完整的鋰離子電池充電器產(chǎn)品線，其中包含線性和開關(guān)式電池充電器。線性充電器架構(gòu)通常用于電池容量高達(dá)1000mAh的應(yīng)用，而開關(guān)式充電器則可用于更大容量的電池，可使用更高的電流（<1A）進(jìn)行充電，或是應(yīng)用在具有較高的輸入電壓時。 RT9525是一個具有自動電源路徑管理功能的線性充電器，這意味著它可以在為電池充電時容許系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，當(dāng)電源適配器提供的電流不能滿足系統(tǒng)的需要時，電池的電能被引入系統(tǒng)共同為系統(tǒng)供電。
圖 9. 具有自動電源路徑管理功能的線性充電器RT9525適用于小容量鋰離子電池的應(yīng)用 RT9451是一個具有I2C控制接口的開關(guān)式充電器，它容許系統(tǒng)靈活地選擇充電條件和規(guī)格。它的開關(guān)拓?fù)湓贐uck降壓模式下可容許在最高12V的輸入電壓下工作，充電電流最大達(dá)4A，可為電池進(jìn)行快速充電。它也可以被配置成為Boost模式將電池電壓提升至5V并在Vin端輸出，這恰好符合USB On-The-Go應(yīng)用為設(shè)備供電的需要。RT9451通常被使用于大容量的鋰離子電池（>2Ah）應(yīng)用，例如平板電腦。它也適合用于電源模組，可以使用它的大電流OTG功能為外部設(shè)備充電、供電。
圖 10. RT9451 于大容量鋰離子電池充電的應(yīng)用 4. 電池電量計
在許多電池應(yīng)用中，隨時知道電池還剩下多少電量是非常重要的。檢查電池電量（SOC）的最常見做法是庫倫計數(shù)法，它藉由測量電池電流隨時間的凈增加/減少來計算SOC。這種方法在理論上是準(zhǔn)確的，但其實際的實現(xiàn)卻會隨著時間的行進(jìn)而有誤差累積。由于包含電流檢測電路，它的電路也相對復(fù)雜。 另一種確定電池電量的替代方法是基于電池電壓的動態(tài)計算法，它通過實時測量電池電壓，并將測量得到的動態(tài)電壓和電池模型結(jié)合起來經(jīng)迭代運(yùn)算得到SOC數(shù)據(jù)。這種方法不受誤差累積的困擾，已經(jīng)被應(yīng)用在RT9420和RT9428電池電量監(jiān)測IC中。它們直接連接到電池端，并能非常精準(zhǔn)地監(jiān)視電池電壓。它們采用內(nèi)部算法來計算相對荷電狀態(tài) (SoC) ，并透過I2C 端口和主機(jī)端的微控制器溝通。為了獲得最準(zhǔn)確的電池電量（SOC），電池的特性在使用前就必須被量測，以確保對電池的補(bǔ)償、溫度和充放電的效應(yīng)都包被含在SOC的運(yùn)算中。
圖 11. RT9428 電池電量計應(yīng)用 圖 11 顯示了RT9428在應(yīng)用中的連接方法，為了量測到精確的電池電壓，建議采用開爾文連接法。
圖 12. 不同充放電條件下和若干充放循環(huán)后的電池電量（SOC）測量結(jié)果及其誤差 RT9428可以在不同充放電條件和電池循環(huán)壽命下，提供精確的電池電量（SOC）數(shù)據(jù)。 5. 總結(jié)在設(shè)計鋰離子電池供電的應(yīng)用時，必須特別關(guān)注電池是否操作在安全的條件下。 |
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