锂电池充电的设计者指南---凯利讯半导体

　　锂离子电池的优点已经奠定了他们作为便携式电子产品的主要电源的地位，尽管有一个缺点，设计者必须限制充电率以避免损坏电池和制造危险。幸运的是，今天的锂离子电池更加坚固，使用“快速充电”技术可以更快地充电。

　　本文对锂离子电池的发展、电化学的最佳充电周期和一些快速充电电路进行了深入的研究。这篇文章还将解释加速充电的缺点，让工程师们对他们的下一个充电器设计做出明智的选择。

　　锂离子电池的概念很简单，但它仍然花费了40年的努力和大量的研究经费来开发这项技术，而这项技术如今已成为当今大多数便携式产品的可靠动力。

　　在充电过程中，早期的电池是脆弱的，容易出现过热现象，但开发过程中已经克服了这些缺点。尽管如此，重新充电仍然需要遵循一个精确的方案，它限制电荷电流，以确保在不过量充电的情况下达到完全容量，并带来永久损害的相关风险。好消息是，最近材料科学和电化学的发展增加了细胞离子的移动性。更大的机动性允许更高的电荷电流，并加速充电周期的“恒流”部分。

　　这些发展使得智能手机配备了最新一代的锂离子电池，可以在20到30分钟内从20%到70%的电量充电。一个简短的电池更新到3 / 4的容量吸引时间较差的消费者，打开一个市场部门的充电器可以安全的支持快速充电。芯片厂商对此作出回应，他们为设计师们提供了便利各种充电率的方法，以加速锂离子电池的电池补充。更快的收费是其结果，但与以往一样，要做出取舍。

　　便携式电动增强

　　锂离子电池是以夹层化合物为基础的。这些化合物是具有层状晶体结构的材料，它允许锂离子从层间迁移或驻留在层之间。在锂离子电池放电过程中，离子通过电解液从负极移到正极，使电子在电路的相反方向移动，从而为负载供电。一旦负极的离子被耗尽，电流就会停止流动。充电电池迫使离子穿过电解液，并将自身嵌入到下一个放电循环的负电极中(图1)。

　　锂离子电池锂离子运动图。

　　图1:锂离子电池中，锂离子从一个夹层移动到另一个夹层，而电子绕着电路旋转以驱动负载。(图片来源:凯利讯半导体)

　　今天的电池使用锂钴氧化物(LiCoO2)等锂基化合物，因为它比高反应纯锂更稳定，因此更安全。对于负极，使用石墨(碳)。

　　虽然这些材料令人满意，但事情并不完美。每一次离子被移动，一些与电极反应，成为材料的固有部分，因此失去了电化学反应。因此，*离子的供应逐渐耗尽，电池寿命也随之减少。更糟糕的是，每个充电周期都会导致电极的体积膨胀。这就强调了晶体结构，造成微小的损伤，从而降低了电极容纳游离离子的能力。这就限制了充值周期的数量。

　　解决这些弱点一直是锂离子电池研究的重点，主要目标是将更多的锂离子注入电极，以增加能量密度，即每单位体积或重量的能量。这使得离子更容易进出电极，并通过电解液(即增强离子流动性)来减轻离子通道。

　　充电时间(给定电流)最终取决于电池的容量。例如，3300马赫的智能手机电池的充电时间大约是1600马赫电池的两倍，当这两种电池都是使用500马力的电流充电时。考虑到这一点，工程师们用“C”来定义充电率，其中1个C等于电池能供应一个小时的最大电流。例如，在2000 mAhr电池的情况下，C = 2a。同样的方法也适用于收费。使用1 a到2000 mAhr电池的充电电流等于0.5 C的速率。

　　这样看来，增加充电电流会减少充电时间。这是真的，但只是在一定程度上。首先，离子的流动是有限的，因此，在一定的阈值范围内增加充电电流不会使它们移动得更快。相反，能量实际上被耗散为热量，提高了电池的内部温度，并冒着永久损坏的风险。第二，不受限制的高电流充电最终导致许多离子嵌入负极，电极分解，电池被破坏。

　　最近的发展已经大大改善了最新锂离子电池的离子迁移率，允许使用更高的充电电流而不危险地提高内部温度。但即使是在最现代的产品中，也存在着过度充电的风险，因为它是细胞物理构成的直接结果。因此，锂电池制造商开出了严格的收费方案，以保护他们的产品免受损害。

　　小心它

　　锂离子电池充电是为了保证安全性和使用寿命而不影响性能(图2)。如果锂离子电池被深度放电(例如，低于3 V)，就会应用一个小的“预处理”电荷约10%的全电荷电流。这样可以防止电池过热，直到它能够接受恒流阶段的全部电流。事实上，这一阶段是很少需要的，因为大多数现代移动设备的设计都是关闭的，但仍然会有一些电荷离开，因为深度放电，如过度充电，会损坏电池。

　　锂离子充电的图像。

　　图2:采用恒流法的锂离子充电线，直到电池电压达到4.1 V，然后采用恒压技术进行充电。(图片来源:凯利讯半导体)

　　然后，电池通常以0.5 C或以下的恒定电流充电，直到电池电压达到4.1或4.2 V(取决于确切的电化学)。当电池电压达到4.1或4.2 V时，充电器切换到一个“恒压”阶段，以消除充电过度。优越的电池充电器能平稳地从恒定电流过渡到恒定的电压，以保证最大的容量，而不会损坏电池。

　　保持一个恒定的电压逐渐减少电流，直到达到0.1 C左右，此时充电终止。如果充电器被连接到电池上，就会使用一个周期性的“充值”充电来抵消电池的自放电。当电池的开路电压降至小于3.9至4 V时，充值充电通常是启动的，当4 - 4.2 V的全充电电压再次达到时，就会终止充电。

　　如上所述，过度充电会严重降低电池的使用寿命，并且有潜在的危险。一旦离子不再移动，大部分用于电池的电能转化为热能。这将导致过热，可能导致由于电解液的排放而发生爆炸。因此，电池制造商提倡精确控制和适当的充电器安全特性。

　　充电不足虽然不危险，但也会对电池容量产生有害影响。例如，1%的低充电可以使电池容量减少8%左右(图3)。

　　锂离子电池因充电不足而导致电池容量损失的图像。

　　图3:仅用百分率的低充电可以显著降低锂离子电池的容量。由于这个原因，在充电过程中最后的电压被精确测量是很重要的。

　　由于这些原因,充电器应该最后一个电压控制在±50 mV的4.1或4.2 V,并能够检测当电池完全充电。检测方法包括确定在恒压阶段电流下降到0.1 C，以及在更基本的充电器中，只对预定的时间充电，并假定电池充满电。许多充电器还包括确定电池温度的设备，这样一旦超过了阈值，充电就会停止。

　　加快充电

　　因为最新一代的电池具有更高的离子流动性，所以在不存在过热风险的情况下更快的充电是可能的。迄今为止，芯片制造商为锂离子电池管理提供了广泛的集成解决方案，以简化充电器的设计。现在，他们还提供硅，让工程师们设计能够在恒流阶段快速充电的产品。(注意，对于锂离子电池，没有一个行业认可的“快速或快速充电”的定义。相反，这一术语被定性地应用于任何加速充电的充电方案，相比于“典型的”0.5 C充电率。

　　例如，马克西姆集成电路提供了它的MAX8900，一个基于开关模式降压(“buck”)电源的充电器。该装置可以从3.6到6.3 V提供1.2 A，同时允许设计者通过外部组件调整充电参数。

　　例如，一旦电池电压超过了预调节电压，直到电压达到4.2伏，设计器就可以实现恒流快速充电，而最大的快速充电电流由SETI pin和ground之间的电阻决定(见图4)。

　　马克西姆集成电路MAX8900数字**方案图。

　　图4:MAX8900从马克西姆集成到的锂离子电池充电恒流阶段的充电电流可以通过在此应用电路底部显示的RSETI电阻器来设置。(用数字键图绘制的图，基于马克西姆集成的原始图像)

　　例如,对于RSETI = 2.87 kΩ,快速充电电流为1.186 A和RSETI = 34 kΩ电流0.1 A。图5说明了充电电流随RSETI的不同。马克西姆为MAX8900A提供了一个方便的开发工具包，该工具包允许设计人员尝试使用组件值来探索其对不只是恒流充电率的影响，而且还可以在充电周期的其他部分充电。

　　恒流阶段充电电流变化曲线。

　　图5:采用RSETI电阻器的MAX8900在恒电流阶段充电电流的变化。

　　为了确保电池温度在快速充电过程中不会出现危险，MAX8900内置了一些防护措施。这些都遵循日本电子和信息技术工业协会(JEITA)的规范，为锂离子电池的安全充电。对锂离子电池的温度0˚至15˚C,fast-charge电流限制在50%的编程速度,如果电池温度高于60˚C电完全被切断,直到温度下降到安全水平。芯片本身的保护热返送,限制了电流的25%*别如果内部温度超过85˚C。

　　在选择快速收费时，马克西姆并不是唯一一个给予设计师灵活性的人。NXP半导体的MC32BC3770开关式电池充电器，使设计人员不仅可以通过I2C接口设置操作参数，还可以设置电荷终止电流、电池调节电压、充电电流、快充电电压阈值和电荷降低阈值电压，以及快速充电电流。

　　快速充电电流本身可编程从100到2000 mA，有一个500 mA的默认设置。为了安全起见，快速充电电流总是受到输入电流限制设置的限制。MC32BC3770可以从输入到20 V的输入操作，如果电池完全放电的话，它可以为USB和双路输出提供一个输入电源。

　　Fairchild半导体公司的FAN5400也允许设计者通过I2C的界面来规划芯片的充电率和操作模式。该设备是一种基于usb的电池充电器，它基于一个从6伏(max)输入的开关电源，并提供高达1.25的充电电流。

　　FAN5400的设计是为了最小化充电时间，同时满足USB的兼容性。设计者可以选择最大电荷电流和电流阈值，通过I2C主机在恒压阶段终止充电。安全功能包括一个计时器削减电力充电周期应超过预设时间和充电电流是有限的,如果芯片的温度超过120˚C。

　　德州仪器公司提供bq25898，一种开关式电池充电管理装置，支持高输入电压快速充电。该设备可以接受多达12 V的输入，并产生多达4个输出，使其适合在最新一代智能手机和平板电脑上充电。

　　与NXP半导体和Fairchild解决方案类似，bq25898是通过I2C串行接口配置的，该接口允许设计器设置充电电流和最小系统电压。安全特性包括电池温度监控，充电计时器和过电压保护。

　　快速充电的权衡

　　设计者应该意识到快速充电带来的代价:充电越快，电池切换到充电系统中相对缓慢的恒压部分的容量就越低。例如，当达到4.1或4.2 V时，以0.7 C的速度充电，其容量为50 - 70%，而在小于0.2 C的情况下，当电压达到4.1或4.2 V时，就会产生一个完整的电池。换句话说,如果消费者需求快速刷新,说,25至50%,快速充电是理想的,但是如果消费者习惯性地插在一个完整的充电这样做通常是更快的适度的充电率0.5 C比1 C-or-greater fast-charge然后需要较长,相对缓慢的“*”。

　　另一种权衡是，快速充电产生的内部温度升高——尽管它可能低于制造商确定的“安全”阈值——可能会造成轻微的损害，最终导致容量减少和充电周期减少。也就是说，随着电池技术的进步，电池的稳定化程度提高了，快速充电的速度将不得不变得极端，以减少电池的寿命，而不是便携式产品的“有用”的存在(定义为消费者购买产品和用更新的模型替换它之间的时间)。

　　结论

　　虽然一些新型电池技术正在实验室中开发，但锂离子电池有望在未来一段时间成为便携式产品的主要储能介质。因此，该技术将继续受到激烈的发展，解决其缺点。离子机动性是这些弱点之一，甚至比最新一代的电池更有可能改进——在恒流下充电的速度更快。

　　设计师们可以通过选择一个电池管理芯片来获得更快的充电速度，通过选择一个或两个外部组件或通过I2C接口进行编程，可以灵活地选择充电率。考虑到电池管理设备内置的安全特性，就像现代的锂离子电池比它们的前辈更加坚固，快速充电仍然会带来一些潜在的危险，设计者需要考虑它们的设计。