要點

鋰化學電池芯類型有較好的體積與重量能量密度，優于其它現有的商用可充電電池芯。設計者一般采用專用充電控制IC，實現單芯電池的充電。鋰化學電池芯的充電要求充電器同時控制充電電流和電池電壓。為減少電流的需求，用于電動汽車、大型系統備份電源以及其它大功率需求的電池設計者采用大串聯數量的電池芯堆。很多微控制器都有內置ADC、信號調整以及PWM控制，可用于電池充電控制設計。

電池充電器的設計者要面臨一個基本的選擇：是使用有很多供應商能夠提供、有豐富選擇的專用充電控制IC，還是使用可編程控制器。由于電池充電控制是一個緩慢的過程，可以用廉價的微控制器及其嵌入ADC、信號調整以及PWM模塊，直接控制充電器的功率轉換電路。也可以用一只微控制器做充電器與電池管理系統之間的通信和交互，如在智能充電器中；可以將微控制器用于靈活的用戶接口，如充電狀態顯示器中；可以將其用于電池調節控制；還可以用于其它靈活特性中。不過與采用專用充電控制IC的充電器相比，微控制器電路與固件的設計與測試通常更昂貴，產生成本也更高。

充電需求

大多數最新的電池充電器設計是針對鋰化學電池。它們包括：鋰離子、鋰聚合物、磷酸鐵鋰，以及相關的電池類型，比其它商用的可充電電池有更高的體積和重量能量密度。因此它們很適合用于便攜式電源系統，如電動汽車；便攜計算與通信設備(智能手機、PDA、平板電腦以及筆記本電腦)；軍用計算機輔助戰斗系統；以及醫療參數監控器。鎳化學電池仍在使用中，但正在被鋰化學電池快速取代。

為鋰化學電池充電要求充電器能同時控制充電電流和電池電壓。最早的充電器采用的是為電池芯提供CC(恒流)的模式，直到電池電壓上升到“浮充”電壓。一旦電池芯達到了浮充電壓，充電器的輸出就以CV(恒壓)方式保持這個浮充電壓值，直到充電電流降到一個固定的低值。當電池降到這個小電流值時，充電器關閉(圖1)。與鎳化學電池和鉛化學電池不同的是，鋰化學電池通常在充電結束后沒有涓流充電。實際上，在充電結束后仍維持小電流會損壞某些鋰電池芯。

圖1，當電池芯達到浮充電壓時，充電器的輸出電壓就保持在CV模式的浮充值，直到充電電流降至一個固定值。當電池達到小電流時，充電器關閉

使用標準的CC/CV算法就可以對一個鋰化學電池的充電時間做出近似的估計，方法是用電池容量(安培小時)除以恒流模式下的充電電流(安培)，得到的值再乘以充電時間1.3小時。通過正確的設計和對CC/CV模式算法的智能調整，可以得到更接近的計算值，但前者是一個良好的開始。另外，如果因為不良設計或不精確的電池電壓測量，使CC到CV模式的轉換開始太早，那情況就會糟得多。

鋰化學電池充電器的最低要求是，它必須能夠同時控制進入電池的電流，以及電池充電端子之間的電壓。從安全考慮，大多數鋰化學電池充電器都會在電池溫度過高或過低時中斷充電。很多情況下，當電池電壓低到安全地恢復一個過放電電池時，充電器可以降低充電電流。

鋰化學電池芯結構的標準簡稱是NSMP，即N個芯串聯/M個芯并聯。在設計一款充電器時，記住串聯數最關鍵，因為它決定了電池電壓。并聯數決定了電池容量，只有在某種充電電流下計算充電時間時，才會用到它。

電池充電器的轉換效果正在成為一個關鍵問題，因為美國能源部(DOE)和其它國家監管機構都在逐漸推出這方面的規定。隨著這些新規定的生效，高效率將成為主要的轉換器類型選擇標準。

專用充電IC

所有專用的充電控制IC都是將一個直流輸入電壓(一般是來自一個AC/DC電源)轉換為所需要的電流和電壓，供電池充電。多數針對鋰電池的專用充電IC都支持前述的需求：CC與CV模式控制、電池溫度使能/禁用，以及減少電流的低壓電池恢復。這類IC的例子很多，如TI公司提供約160種器件；凌力爾特技術公司有大約60種，Maxim公司有約70種；而Intersil也有約50種。其它公司提供了更多充電器IC的選擇，如飛兆半導體公司、Analog Devices、飛思卡爾、Micrel、安森美半導體公司，以及Torex半導體公司。

在選擇專用充電控制IC時，通常要從幾方面著手：電池化學特性；串聯電池芯的數量，或最大電池電壓；所需要的充電電流；以及器件是否需要對溫度的充電使能/禁用功能。另外，還必須考慮電源來源是否為USB接口，以及最大最小輸入直流電壓。大多數IC供應商的網站上都有參數化選擇工具，能夠縮小你的選擇范圍。

幾乎所有專用充電控制IC都采用了降壓型轉換器，即輸入電壓高于最大電池電壓。少量IC支持降壓/升壓型電壓轉換。最小輸入電壓與最大電池電壓之間的差額也是一個重要的選擇因素。

專用充電控制IC可分為兩大類： 線性轉換器和開關模式轉換器。線性轉換器的充電電流通常小于1A，只能工作在簡單輸入輸出電壓的情況。另外，如果未采用散熱片、風扇或類似高成本散熱裝置，轉換器的功率損失也會變得不可控制。然而，線性轉換器的特點就是廉價、小型及易于設計(圖2)。

圖2， 線性轉換器價格便宜，體積小，并且易于設計

開關模式轉換器的設計與實現要更復雜，但可以支持幾乎無限的I/O電壓與充電電流。現代開關模式轉換器工作在很高的開關頻率，因此可以采用小型外接電感和瓷片電容，這就使電路可以做得小而簡單。用開關模式轉換器替代線性轉換器，可獲得更高的轉換效率(圖3)。

圖3，現代開關模式轉換器工作在很高的開關頻率上，它們可以使用小型外接電感和瓷片電容，因此電路既小又相對簡單

使用微控制器

現在，你也許奇怪，為什么不在所有情況下都選擇專用充電控制IC，以取代微控制器所要做的昂貴嵌入固件開發以及電路設計工作。很多微控制器有內置ADC、信號調整以及PWM控制，這些都是電池充電控制設計的要求。例如來自Cypress公司的PSoC系列，TI公司的MSP430系列，Microchip公司的PIC處理器，以及Atmel公司的AVR處理器，等等。

你可以用一只廉價、功耗較小的微控制器設計一個電池充電控制器，因為充電控制不同于一般的電源控制，它因電池的電化學特性而較緩慢。在電池里，除了觸發保護以外，沒有什么是在幾百毫秒時間內發生的，而電池充電器從來不會觸發保護。因此，軟件實現的控制循環非常適合于電池充電控制。只需要幾百行C代碼，就可以為鋰離子電池實現CC/CV協議充電控制。

唯一需要硬件支持的電路是電壓與電流測量放大器、ADC、PWM輸出，以及一些通用I /O端口；大多數現有微控制器都集成了這些部件。這些處理器通常還帶有I 2C或SMbus(系統管理總線)接口，可用于需要與電量表做通信的設計。

各家供應商都發布了大量說明文檔，描述如何將自己產品用做電池充電控制器。有些甚至提供了這種應用的評估系統，可以幫助你開始做電路和固件設計。很多情況下，基于微控制器充電控制器的設計與生產成本要高于采用專用控制器的設計。但為什么還要花這些錢，攤這些麻煩事呢？

單芯電池

為單芯電池充電需要最簡單的充電控制設計。現在有大量的專用充電控制IC，可以處理高達3A的充電電流，有內置開關MOSFET，幾乎不需要外接元件。采用5V直流、最大500mA，通過USB接口的充電設計正日益流行。單串聯電芯電池幾乎都使用這種方案，并且可以為這種應用選擇專用線性IC和開關模式控制IC。

單芯充電算法通常不需要電池與充電器之間的通信。因此，設計者一般會用專用的充電控制IC來實現單芯電池充電器。這些例子包括手機充電器、剃須刀充電器，以及智能手機和平板電腦的充電座。這些便攜設備的核心電壓足夠低，一塊單芯鋰化學電池芯就可以提供出最低3V輸入電壓。很多這些設備可以用USB電源充電。

但在某些情況下，多槽充電器更適合于應用。這些情況包括醫療與軍事應用，這時某個中心場所總要充多塊電池。微控制器經常可以控制一個以上的電池充電槽，因為充電的控制算法很慢。微控制器對多槽的控制能力可以獲得一種量產的成本優勢，但也使固件復雜化，使充電器更難以設計與測試。MicroPower這類供應商可提供多至四槽的充電器，它用一個廉價的PSoC微控制器就足以控制。

二至四芯電池

當便攜設備需要的功率超過單芯鋰化學電池的能力時，就需要考慮兩只或四只電池芯并聯的電池。為這些電池充電要面臨復雜得多的設計問題，因為這時有電池芯的均衡以及CC/CV算法調整的要求。為多芯電池充電時，必須使最大電池芯電壓(而不是電池電壓)小于規定的浮充電壓。如果當一只或多只電池芯電壓過高情況下，充電器還不斷向電池芯中送入電流，則電池芯就會損壞，縮短電池的壽命，甚至在極端情況下產生安全問題。

你可以把電池芯均衡電路設計到電池里，它或者是在某些電池芯周圍有分流電路，或者是為選定的電池芯增加額外的電流，從而保持所有電池芯的均衡。但是，有時候充電器也需要加入到均衡工作中，為實現這一功能，充電器必須能與電池管理系統通信。專用充電IC一般不支持這種交互式充電控制功能，因此需要采用微控制器。

為了優化充電時間，應針對電池溫度、內部電池電壓和其它參數調整充電控制的算法，而這些參數只有電池管理系統才知道。例如，為了優化充電時間，充電器應在CC模式下停留盡可能長的時間。但是，電池充電的電流路徑中有時包括一個防反接二極管，阻止了充電器測到實際的電池芯堆電壓。電池管理系統可以測到電池中芯堆的電壓，并將結果告知充電器，后者就可以在CC至CV模式轉換算法中使用更精確電壓，并將電池的CC模式保持更長時間。這種方案可以大大減少充電時間。

針對更復雜電池的充電器通常有一個狀態顯示屏，如LED條形圖或LCD。這種功能的實現通常就需要微控制器了，因為專用的充電控制只支持簡單的狀態顯示。

用于軍用或醫用復雜電池的高端充電器有時候包含了微計算機系統，用于存儲和交流每塊電池的信息(一般是通過USB接口連到PC)。使用這些信息可以做預防性維護和電池狀態報告。

高壓電池

為了減少對電流的要求， 電動汽車、大型系統備份電源，以及其它大功率需求應用的電池設計者要采用大量串聯的電池芯堆。電動汽車的電池系統也支持再生剎車系統、主動冷卻與加熱，以及其它先進的電池管理系統。正如大家想到的，大量串聯的電池需要復雜的電池芯均衡電路和算法。這些復雜而高壓的電池要求有全集成的電池管理系統與充電系統。將充電器與電池管理系統整合為一個系統，通常需要對很多電池管理系統功能做計算機控制，因為專用充電控制IC太不靈活了。

這些復雜系統中常見的是電池車隊管理，因此充電器/電池管理系統必須獲得和維護電池的健康和歷史信息。電動車和家用/商用備份電源系統采用了分布式能量存儲，當國家級智能電網成為現實時，它們能在電網峰值負載管理方面起到作用。這種情況下，要求充電系統能夠與電網變換器同步，這樣，電池就既可以從電網獲得電能，也可以為電網供能。這些集成系統需要通過充電器與電池管理系統建立穩健的聯系，這樣智能電網才可以保存有關電池狀態和性能的信息。所有這些發展都轉換了充電器的角色，使之從一個簡單的電流控制電壓轉換器，變為一個復雜、計算機控制能量管理系統中的子系統。

做出決定

要為某個特定應用，決定采用的充電控制器類型，有以下幾個步驟：如果電池是單芯鋰化學電池，充電電流小于500mA(需要用USB電源充電)，則選擇專用的線性或最低功能的開關模式充電控制器，如TI公司的bq24100系列。如果電池是一至三芯，單體鋰化學型，充電電流小于3A，則采用專用的開關模式充電控制器，如TI公司的bq24105或bq24170。不過，如果應用要求有充電器與電池之間的通信、先進的用戶界面， 或與主機之間的通信，則要考慮采用微控制器。如果電池是一至三芯，多槽鋰化學型，充電電流小于3A，則要在使用開關模式充電控制器與能控制多個槽的微控制器兩者成本之間作出權衡。

對于需要3A以上充電電流以及三芯以上的電池，幾乎總是需要使用帶微控制器的開關模式轉換器，因為要獲得安全和最佳充電時間，充電器與電池管理系統之間必須要有通信。無論電池中有多少電池芯，需要記錄和交換電池歷史信息和狀況信息的充電器應用都必須采用微控制器，甚至微處理器。