锂离子电池充电线路之设计参考

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前言
便携式电子产品皆以电池作为电源。随着便携式产品的迅速发展，各种电池的用量大增，并且开发出许多新型电池。除大家较熟悉的碱性电池、可充电的镍镉电池、镍氢电池外，还有近年来成为主流的锂离子电池。这里会介绍有关锂离子电池的相关知识，包括它的特性、主要参数、应用范围，最后并提供锂离子电池充电线路之设计参考。
锂离子电池发展与应用
锂离子电池是目前应用最为广泛的可再次充电式电池，它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式，可以单节电池使用于低功率应用，也可以将多节电池进行串并联组合得到更高电压与容量，用于电动工具与笔记型计算机。锂离子电池中的电解液可以是凝胶体、聚合物(锂离子/锂聚合物电池)、或凝胶体与聚合物的混合物。因为目前尚未发现能够在室温条件下有效运送锂离子的聚合物，所以大多数的锂离子/ 锂聚合物电池实际上是结合凝胶体和聚合物的混合型电池。
锂离子电池有别于一般的化学电池，其充放电工作过程是通过电池正负极中锂离子的嵌入和脱嵌来实现的，当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液移动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又移动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在充放电过程中，锂离子处于从正极到负极到正极的循环运动状态。由于锂离子电池中使用的是离子状态的锂而非金属锂，危险性低，安全性高。
电池特性
电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时，电池非静电力(化学力)所做的功。电动势取决于电极材料的化学性质，与电池的大小无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量，通常用安培小时作单位。
在电池反应中，每公斤反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。所谓比能量指的是单位重量或单位体积中所储存的能量，以Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，L是升(体积单位)。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为电池中的反应物并不全按电池反应进行，同时电池内阻也会引起电压降。另一方面，电流流过电池的截面积越大，其内阻越小。锂离子电池的最大特点是比能量高，现今的锂离子电池技术可达到比能量为80~120 wh/kg，而传统铅酸电池的比能量仅为30~40 wh/kg，因此锂离子电池可以以较小体积储存更高能量，有助于讲求轻薄短小的行动电子装置与要求高续航力的电动车应用。
以下亦列出锂离子电池的几项特点：高容量：锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的20-30%，镍氢的35-50%。
●高电压：一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(标称值)，相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。
●高稳定：由于不含金属锂，危险性低，因而不受飞机运输关于禁止在客机携带规定的限制。
●长寿命：可充电锂离子电池充电全满时、电压约为4.2伏特，放电时电压会下降、但不宜低于约2.5伏特，保存电压或出厂电压约为3.6至3.7 伏特。使用寿命主要关键为充电次数，优良的可充电锂离子电池约有500次以上的寿命(由2.5伏特充电至4.2伏特算一次)，且锂离子电池不存在记忆效应。
●快速充电：使用额定电压为4.2V的定电压/定电流充电器，可以使锂离子电池在1~2.5个小时内就充满电。但须注意如果充电电压超过4.3伏特以上，有爆炸的危险。电池电压低于2.0伏特，则锂离子电池损毁，无法再使用或充电。
电池充电方式
由以上可以知道，锂离子电池虽然具有高容量与长寿命的优势，但是在充放电方面则需特别注意，因此所有可充电锂离子电池都需要配置其“充放电管理 IC”，用以限制充电及放电电压，以确保不超过安全电压致电池爆炸，当电池电压低于2.5V切断输出，避免电池寿命缩短。除少数标准品之外，多数锂离子电池体积外型各异，以实际应用为主，容量规格也不尽相同，因此充电电流由各制造厂商自行设计规范。依据电流大小而有所谓快充或慢充模式；然大电流的充电模式通常有损使用寿命。虽然电池组中已包含有充电管理IC，但此仅作为电池爆炸或防止燃烧的最低保护措施，而非正常的使用方式，为充分达到电池的寿命与效率，充电器的设计仍需离此一上下限甚远。
除了过放电之外，锂离子电池也不适合用作大电流放电，大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)。因此电池制造商规范该产品最大放电电流，在使用中应小于最大放电电流。锂离子电池对充电品质的要求很高，需要精密的充电电路以保证充电的安全，尤其要求终止充电电压精度在额定值的 1%之内(例如:充4.2V的锂离子电池，其允差为±0.042V)过压充电可能对锂离子电池造成永久性损坏，严重者导致电池爆炸；锂离子电池的充电电流应根据电池制造厂的规范选用。虽然某些电池充电电流标称可达2C(C是电池的容量，标示如1000mAh，1C充电率即充电电流为1A)，但高充电电流会降低电池寿命，因此一般常用的充电率为0.25C～1C。因充电过程的电化学反应会产生热，有一定的能量损失；另外锂离子电池充电并非全部采用定电流充电，还有定电压模式充电，所以实际充电时间约为2.5小时左右；锂离子电池充电的温度在0℃~ 60℃范围。如果充电电流过大会产生温度过高，不仅会损坏电池并可能引起爆炸。因此在大电流充电时，需要对电池进行温度检测，并且在超过设定充电温度时能停止充电以保证安全。另外，充电器电路中有设定的限流电阻，保证充电电流不超过设定的限制电流。
目前锂离子电池的充电器常采用三段充电法，即预充电模式(Pre-Charging Mode)、定电流充电(Fast Charging Mode)、定电压充电模式(Constant Voltage Mode)。锂离子电池终止放电电压为2.5V。设计完善的充电器可对过放的电池进行挽救修复，即在正式充电前进行预处理。于充电前先检测电池的电压：若电池电压大于 3V，则按正常方式充电；若电池电压低于3V，则以小电流(约为10%的定电流模式充电电流)充电称之为预充电模式，让处于深度放电状态下而溶解的钝化膜进行还原。此外，当电池过度放电时，还可能释出部分铜金属在阳极造成短路，此时若以高电流进行强迫充电就会导致电池过热，而预充电阶段则能避免这种现象发生。等充到3V后再按正常定电流方式充电。
当电池电压大于3V，则按正常方式充电的充电特性如图1所示(以4.2V锂离子电池为例)。开始以设定的定电流模式充电，此时电池电压以较快的斜率上升，随着电池电力储存的增加，电池电压上升斜率会逐步降低，上升到接近 4.2V 时，定电流充电阶段结束。充电器改以 4.2V定电压充电，在定电压阶段充电时，电压几乎不变，但充电电流持续下降。当充电电流降到某一值时，激活定时器，经一段计数定时截止后，结束充电，完成充电程序。


图1：典型的锂离子电池充电曲线
定电压充电的输出稳压精确度对于电池容量最大化和延长电池使用寿命都很重要。当电池稳压低于4.2V，可能导致电池充电不足，虽不至于影响寿命，却使得电池蓄电量减少。例如充电不足程度只要达到总电压的 1%，就会让电池蓄电量减少8%。另一方面，电池稳压太高，则导致电池过度充电而缩短使用寿命，甚至造成使用者危险。为了确保锂离子电池的充电安全，开始充电时的环境温度，必须在0℃～45℃之间。在更低温度下进行充电会形成更多金属锂，会导致电池阻抗增加与电池劣化。在高温环境下进行充电，则会增加锂离子与电解液的反应而加速电池劣化。
一般而言，建议长时间不使用时，应将电池充至70 - 80%进行存放。这也是为防止长时间的自然放电后，锂离子电池电压低于2.0伏特，导致锂离子电池失效而不能使用。经常把锂离子电池电量耗尽的使用方式，比经常充放电的使用方式，其寿命至少缩短一半以上。


锂离子充电器设计范例
为满足低耗电可携式产品对于更精确、更安全的充电器应用需求，许多IC制造商发展出低成本线性充电器。图2是以通嘉科技的LD6275充电IC为设计范例，构成仅需少数外部零件的独立式线性充电器电路，其具备1.5A的最大充电电流。


图2：LD6275应用电路图
LD6275是一个高整合度的锂离子电池线性充电器IC，具备主动电源路径管理，在负载端电流进行加载/卸载的情况下，实时调整电池充电电流，有效监控管理输入电流(即USB埠的输出电流)，符合USB – IF所规范的浪涌电流限制和软激活功能的要求。此外，IC内整合有温度检测功能，如果IC温度超过设定值。会自动降低充电电流以保护芯片避免损坏。
LD6275将电源适配器/USB埠的5V直流电源进行降压稳流，对锂离子电池进行充电，为防止电源适配器的过电流超载，可以外部电阻 RCISET设定最大充电电流限制。同时支持计算机USB端口充电模式，并依据外部脚位EN1与EN2进行设定，各模式请见表1。透过为USB 500mA与USB 100mA操作模式设定，可以保护PC端USB埠避免过载。


表1：充电模式设定
LD6275 具有适应性电源路径管理(Adaptable Power Path Management, APPM)功能，其为以供给系统端用电为主，对电池充电为辅，如图3所示；当系统用电超过输入电源的供给限制时，其电池亦能主动开启放电功能同时对系统端供给其所需之电能需求，如图4所示。


图3. APPM


图4. APPM
LD6275开放两段的电池设定电压与充电电流的调整，可根据其需求动态调整，如为符合日本JEITA的规范要求根据电池之温度而调整充电器之设定，如下图5表示。


图5：TVSET, TISET调整
由于LD6275本身耗电极小，仅1~2mA,几乎可以忽略，因此IC本身发热功率Pd可以由下列公式计算：


Vin为输入电源电压，工作范围4.1V~6V.VBAT是电池电压，可以由0~4.2V,ICHG为设定充电电流，由外部电阻RCISET设定之。当电池电压低于3V时，会进入预充电模式，IC内部预设以ICHG的10%电流进行充电。
假设使用5.5V电源供应器对单颗1200mAh锂离子电池进行充电，在0.7℃快速充电电流时，且电池电压为3V的条件下，可以预估IC运作的最大耗电量为，1.762W的耗电最大值，此一功耗会使得热阻抗60℃/W的3×3毫米QFN封装温度温升127℃，即便环境温度0℃时，也已经超过所允许的125℃硅芯片操作温度最大值。若设定充电电流为0.6A(0.5C)，则可降低IC温升为90度，可以操作于35度的环境温度中，因此是较佳的设定电流。

由以上可以得知，快速充电稳流值和电源供应电压的操作范围，对于线性充电器相当重要。线性充电器的根本问题在于操作时芯片温度较高，使得设计时必须在充电电流和散热机构之间做取舍。但往往线性充电器的应用范围是需要轻薄要求的便携式产品，多使用导热性差的塑料外壳，亦不考虑金属散热片，最后产品设计者唯有降低充电电流并延长充电时间，来换取较低的操作温度。基于可携式产品使用者，希望能够在1~2小时中完成充电，因此线性充电器通常比较适合 1500mAh以下的低容量锂离子电池应用。若要应用于高输入/输出电压差或高容量电池的充电应用，此时可以考虑应用同步交换式充电器。

图6所示为锂离子电池充电器的标准充电流程，首先充电IC侦测是否有输出短路或是过载的保护模式，若系统一切正常接着侦测电池初始电压是否达到 3V以上，高于3V者就直接以快充模式进行高电流充电，若电池低于3V者，进入预充电模式，以快充的10%进行充电，唤醒电池并避免电池损坏。在预充电阶段，仍随时侦测电池电压，达到3V后可随即切入快充模式。


图6：锂离子电池充电器的标准充电流程
在快充模式下，电池的电压以较高速度上升，升高至4.2V时，切换至4.2V的定电压充电，由电池本生的内阻进行限流，此时充电电流就如同图1的CV阶段。随着时间过去，充电电流呈现指数曲线递减，当到达设定电流ICHG的10%，即关闭充电器，同时指示充电完成。
然而，当电池故障时，电池可能无法储存电能，电压抑不会升高，所充入的能量转变成热，除了依靠过温度保护机制之外，IC内部亦具有超时定时器，无论此时电池电压状态如何，只要超过设定充电时间后，随即关闭充电器，以达到多重保护使用者之功能。
使用者亦有可能在充电或式充电完毕后，在未将电源移除的情况下，即抽离电池的情况。为避免造成危险，IC内部应具有如图7, 8的电池存在侦测机制。充电IC会以短时间脉冲(每370ms产生2ms的脉冲)方式抽取电池电流，此时若电池存在，则侦测到的电池电压应大于一预设阀值；若电池已切离，则充电IC侦测到一低电压，即可判定为电池断开状态，并将电池端电压切断，保护使用者安全。


图7. 电池存在侦测机制


图8：电池移除侦测机制
结论
锂离子电池以其特有的性能优势已在可携式装置如笔记计算机、摄影机、移动通讯中得到普遍应用。而新一代的聚合物锂离子电池在形状上可做到薄形化、任意面积化和任意形状化，大大提高了电池造型设计的灵活性。同时，聚合物锂离子电池的单位能量比目前的一般锂离子电池提高了20%，其容量、与环保性能等方面都较锂离子电池皆获得改善。因此可以预见的是，未来锂离子电池的充电器，亦朝向更快速的充电速率与更强健的系统保护能力为未来发展趋势。