鋰離子（Li-ion）電池之父John B.Goodenough因其開(kāi)拓性工作于2019年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，從而成為年齡最大的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。如今，鋰離子電池已被用于人們生活的各個(gè)方面，它們讓電子設(shè)備變得更加輕巧耐用。例如，大多數(shù)手機(jī)都依靠鋰離子電池實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、便攜性和方便的充電。

因此，有效地對(duì)鋰離子電池充電以實(shí)現(xiàn)最大使用率，這一點(diǎn)非常重要。

如何給鋰離子電池充電

首先，讓我們分析一下鋰離子電池的充電過(guò)程。其充電過(guò)程可分為四個(gè)不同的階段：涓流電流充電、預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電。圖1顯示了典型鋰離子電池的充電曲線(xiàn)。

圖1：鋰離子電池充電曲線(xiàn)

看起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，實(shí)際上在選擇電池充電解決方案時(shí)需要考慮很多參數(shù)。圖2顯示了選擇方案時(shí)的四個(gè)主要注意事項(xiàng)。

圖2：電池充電器設(shè)計(jì)–關(guān)鍵注意事項(xiàng)

下面將詳細(xì)介紹這些注意事項(xiàng)：

拓?fù)?p style="box-sizing: border-box; margin-top: 20px; margin-bottom: 20px; padding: 0px; border: 0px;">電池充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)輸入電壓范圍、電池配置、充電電流和其他系統(tǒng)級(jí)優(yōu)先級(jí)來(lái)選擇拓?fù)洌▍⒁?jiàn)圖3）。

圖3：電池充電器拓?fù)?/span>

例如，大多數(shù)便攜式設(shè)備都通過(guò)USB端口充電。USB有兩種主要類(lèi)型：

• USB Type-A: 通常[email protected]最大，但可以支持快速充電和其他標(biāo)準(zhǔn)高達(dá)12V；

• USB Type-C: 5V@3A最大，但如果支持USB-PD，這可以增加到20V@5A

如果設(shè)備通過(guò)USB端口充電，則必須始終支持5V工作電壓。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于串聯(lián)電池（最大VBATT≥8.4V），請(qǐng)使用升壓或降壓-升壓拓?fù)?。如果設(shè)備不是通過(guò)USB端口充電，則建議采用降壓拓?fù)?，因?yàn)檩斎腚妷菏冀K超過(guò)電池電壓。

環(huán)路控制

電池管理IC的主要挑戰(zhàn)是具有多個(gè)控制環(huán)路。他們不僅要管理輸入電壓和電流，還必須管理系統(tǒng)功率、電池充電電流和電壓、電池溫度以及其他參數(shù)（參見(jiàn)圖4）。例如，系統(tǒng)經(jīng)常需要根據(jù)電池溫度來(lái)調(diào)節(jié)電池充電電流。

圖4：電池充電器IC中的各種控制環(huán)路

電源路徑管理

電源路徑管理控制環(huán)路根據(jù)輸入源的電流能力和系統(tǒng)負(fù)載的電流要求動(dòng)態(tài)調(diào)整電池充電電流。這樣可確保系統(tǒng)在使用過(guò)量電荷為電池充電時(shí)接收到所需的電流。

圖5：電池充電器系統(tǒng)架構(gòu)

電池充電器根據(jù)其特性分為三種典型的架構(gòu)。

第一種為電源直供，架構(gòu)將電池直接連接到系統(tǒng)電源，它要求電池電壓達(dá)到最小系統(tǒng)電壓才能工作。

第二種稱(chēng)為旁路模式，它采用外部開(kāi)關(guān)來(lái)管理電池充電和系統(tǒng)路徑。

第三種架構(gòu)為NVDC電源路徑管理。與前兩種架構(gòu)相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)，因此更常用：

• 最小系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)使用低壓電池可瞬間啟動(dòng)

• 系統(tǒng)始終跟隨電池電壓，以減小系統(tǒng)各部件的電壓應(yīng)力。

• 當(dāng)輸入功率有限時(shí)，電池可以作為系統(tǒng)的補(bǔ)充。

• 系統(tǒng)可以從電池?cái)嚅_(kāi)，以支持運(yùn)輸模式

圖6顯示了NVDC充電器的充電曲線(xiàn)。

圖6：帶NVDC功能的鋰離子電池充電曲線(xiàn)

當(dāng)電池電壓相對(duì)較低時(shí)，系統(tǒng)電壓被調(diào)節(jié)至最低工作點(diǎn)（圖6中的VSYS_REG_MIN）。當(dāng)電池電壓接近VSYS_REG_MIN時(shí)，電池電壓和系統(tǒng)電壓會(huì)彼此緊密跟蹤。因此，無(wú)論電池狀態(tài)如何，系統(tǒng)電壓總是保持在一個(gè)窄范圍內(nèi)。圖7顯示了實(shí)際應(yīng)用中的曲線(xiàn)圖。

圖7：典型充電曲線(xiàn)（工作條件：VIN = 16V, VBATT 從0V開(kāi)始爬升， ICHG = 1.84A, ISYS = 1A)

反向工作

上面討論的電池充電器操作均使用輸入源為電池充電或?yàn)橄到y(tǒng)供電。實(shí)際上還可以反向操作，如USB On-the-Go（OTG）功能。具有USB OTG功能的電池充電器允許設(shè)備的內(nèi)部電池通過(guò)設(shè)備輸入端口為設(shè)備供電。

MP2731電池充電IC

當(dāng)應(yīng)用需要NVDC電源路徑管理和OTG功能時(shí)，MPS提供的MP2731電池充電器IC可以完全滿(mǎn)足需求（見(jiàn)圖8）。

圖8：MP2731原理圖和主要特性

MP2731是一款全集成電池充電器，它支持上述的充電模式，并具有高效率和出色的散熱性能。

圖9：高效率和散熱性能

隨著鋰離子電池越來(lái)越多地應(yīng)用于現(xiàn)代電器和系統(tǒng)中，不斷評(píng)估使它們更高效、更具成本效益變得更加重要。在眾多的架構(gòu)和充電器選擇中，MPS的MP2731等產(chǎn)品可以幫助您簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程。