锂离子电池的线性和开关式充电解决方案

       锂离子充电

　　充电或放电速率通常根据电池容量来表示。这一速度称为C速率。C速率等于特定条件下的充电或放电电流，定义如下：

　　I=M×Cn

　　其中：

　　I = 充电或放电电流，A

　　M = C的倍数或分数

　　C = 额定容量的数值，Ah

　　N = 小时数(对应于C)。

　　以1倍C速率放电的电池将在一个小时内释放标称的额定容量。例如，如果标称容量是1000mAhr，那么1C的放电速率对应于1000mA的放电电流，C/10的速率对应100mA的放电电流。

　　通常生产商标定的电池容量都是指n=5时，即5小时放电的容量。例如，上述电池在200mA恒流放电时能够提供5小时的工作时间。理论上该电池在1000mA恒流放电时能够提供1小时的工作时间。然而实际上由于大电池放电时效能降低，此时的工作时间将小于1小时。

　　那么怎样才能正确地为锂离子电池充电呢?锂离子电池最适合的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止。参考图1。

　　阶段1：涓流充电——涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时，先采用最大0.1C的恒定电流对电池进行充电。

　　阶段2：恒流充电——当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。恒流充电时的电流并不要求十分精确，准恒定电流也可以。在线性充电器设计中，电流经常随着电池电压的上升而上升，以尽量减轻传输晶体管上的 散热问题。

　　大于1C的恒流充电并不会缩短整个充电周期时间，因此这种做法不可取。当以更高电流充电时，由于电极反应的过压以及电池内部阻抗上的电压上升，电池电压会更快速地上升。恒流充电阶段会变短，但由于下面恒压充电阶段的时间会相应增加，因此总的充电周期时间并不会缩短。

　　阶段3：恒压充电—— 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。为使性能达到最佳，稳压容差应当优于+1%。

　　阶段4：充电终止——与镍电池不同，并不建议对锂离子电池连续涓流充电。连续涓流充电会导致金属锂出现极板电镀效应。这会使电池不稳定，并且有可能导致突然的自动快速解体。

　　有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。

　　上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口(通常为0℃至45℃)，那么充电会暂停。

　　要快速可靠地完成充电过程需要一个高性能的充电系统。为实现可靠且经济高效的解决方案，设计时应当考虑到以下系统参数：

　　输入源

　　许多应用都采用极廉价的墙式适配器作为输入电源。其输出电压主要依赖于交流输入电压和从墙式适配器流出的负载电流。

　　在美国标准的墙面插座上交流母线输入电压的变化范围一般为90VRMS至132VRMS。假设额定输入电压为120VRMS，容差为+10%, −25%。充电器必须为电池提供适当的稳压措施，从而不受输入电压的影响。充电器的输入电压与交流母线电压和充电电流成比例：

　　VO=2VIN×a-1O(REQ+RPTC)-2×VFD

　　REQ是次级绕组的电阻与初级绕组反射电阻(RP/a2)的和。RPTC是PTC的电阻，VFD是桥式整流器的前向压降。此外变压器磁芯损失也会使输出电压略有降低。

　　利用汽车适配器充电的应用也会遇到类似的问题。汽车适配器的输出电压典型范围为9V至18V。

　　恒流充电的速率和精度

　　特定应用的拓扑结构选择可能要由充电电流来决定。许多大恒流充电应用或多节电池充 电应用都采用开关式充电解决方案来获得更高的效率并避免产生过多热量。出于尺寸和成本方面的考虑，低档和中档的快速充电应用则倾向于采用线性解决方案，然 而线性解决方案会以热的形式损失更多能耗。对于线性充电系统来说，恒流充电的容差变得极为重要。如果稳压容差太大，传输晶体管和其他元器件都需要更大体 积，从而增加尺寸和成本。此外，如果恒流充电电流过小，整个充电周期将会延长。

　　输出电压的稳定精度

　　为了尽可能地充分利用电池容量，输出电压稳压精度非常关键。输出电压精度的小幅度下降也会导致电池容量的大幅减少。然而出于安全和可靠性方面的考虑，输出电压也不能随意设置得过高。图2显示出了输出电压稳定精度的重要性。

　　充电终止方法

毋庸置疑，过充始终是锂离子电池充电的