【導讀】鋰離子（Li-ion）電池之父John B.Goodenough因其開拓性工作于2019年獲得諾貝爾化學獎，從而成為年齡最大的諾貝爾獎獲得者。如今，鋰離子電池已被用于人們生活的各個方面，它們讓電子設備變得更加輕巧耐用。例如，大多數(shù)手機都依靠鋰離子電池實現(xiàn)長時間運行、便攜性和方便的充電。
因此，有效地對鋰離子電池充電以實現(xiàn)最大使用率，這一點非常重要。
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程。其充電過程可分為四個不同的階段：涓流電流充電、預充電、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。
圖1：鋰離子電池充電曲線
看起來似乎很簡單，實際上在選擇電池充電解決方案時需要考慮很多參數(shù)。圖2顯示了選擇方案時的四個主要注意事項。
圖2：電池充電器設計–關鍵注意事項
下面將詳細介紹這些注意事項：
拓撲
電池充電器系統(tǒng)設計人員必須根據(jù)輸入電壓范圍、電池配置、充電電流和其他系統(tǒng)級優(yōu)先級來選擇拓撲（參見圖3）。
圖3：電池充電器拓撲
例如，大多數(shù)便攜式設備都通過USB端口充電。USB有兩種主要類型：
?USB Type-A: 通常5V@1.5A最大，但可以支持快速充電和其他標準高達12V；
?USB Type-C: 5V@3A最大，但如果支持USB-PD，這可以增加到20V@5A
如果設備通過USB端口充電，則必須始終支持5V工作電壓。舉例來說，對于串聯(lián)電池（最大VBATT≥8.4V），請使用升壓或降壓-升壓拓撲。如果設備不是通過USB端口充電，則建議采用降壓拓撲，因為輸入電壓始終超過電池電壓。
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)（參見圖4）。例如，系統(tǒng)經(jīng)常需要根據(jù)電池溫度來調節(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)負載的電流要求動態(tài)調整電池充電電流。這樣可確保系統(tǒng)在使用過量電荷為電池充電時接收到所需的電流。
圖5：電池充電器系統(tǒng)架構
電池充電器根據(jù)其特性分為三種典型的架構。
第一種為電源直供，架構將電池直接連接到系統(tǒng)電源，它要求電池電壓達到最小系統(tǒng)電壓才能工作。
第二種稱為旁路模式，它采用外部開關來管理電池充電和系統(tǒng)路徑。
第三種架構為NVDC電源路徑管理。與前兩種架構相比，它具有以下優(yōu)點，因此更常用：
?最小系統(tǒng)電壓調節(jié)使用低壓電池可瞬間啟動
?系統(tǒng)始終跟隨電池電壓，以減小系統(tǒng)各部件的電壓應力。
?當輸入功率有限時，電池可以作為系統(tǒng)的補充。
?系統(tǒng)可以從電池斷開，以支持運輸模式
圖6顯示了NVDC充電器的充電曲線。
圖6：帶NVDC功能的鋰離子電池充電曲線
當電池電壓相對較低時，系統(tǒng)電壓被調節(jié)至最低工作點（圖6中的VSYS_REG_MIN）。當電池電壓接近VSYS_REG_MIN時，電池電壓和系統(tǒng)電壓會彼此緊密跟蹤。因此，無論電池狀態(tài)如何，系統(tǒng)電壓總是保持在一個窄范圍內。圖7顯示了實際應用中的曲線圖。
圖7：典型充電曲線（工作條件：VIN = 16V, VBATT 從0V開始爬升， 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為系統(tǒng)供電。實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備的內部電池通過設備輸入端口為設備供電。
MP2731電池充電IC
當應用需要NVDC電源路徑管理和OTG功能時，MPS提供的MP2731電池充電器IC可以完全滿足需求（見圖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越多地應用于現(xiàn)代電器和系統(tǒng)中，不斷評估使它們更高效、更具成本效益變得更加重要。在眾多的架構和充電器選擇中，MPS的MP2731等產品可以幫助您簡化設計流程。
來源：MPS
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