約翰·B·古迪納夫（John B. Goodenough）被認(rèn)為是鋰離子（Li-ion）電池之父，當(dāng)他因其開創(chuàng)性的工作而于2019年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，他成為最年長(zhǎng)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。如今，鋰離子電池被用于大多數(shù)消費(fèi)者生活的各個(gè)方面，因?yàn)樗鼈兪闺娮釉O(shè)備輕巧耐用。例如，大多數(shù)手機(jī)依靠鋰離子電池來(lái)獲得更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，便攜性和方便的充電。 有效地為鋰離子電池充電以最大限度地利用這一點(diǎn)非常重要。
如何為鋰離子電池充電
首先，讓我們分析一下鋰離子電池的充電過(guò)程。充電過(guò)程可分為四個(gè)不同的階段：涓流充電、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。
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圖 1：鋰離子電池充電曲線 這似乎很簡(jiǎn)單，但在選擇電池充電解決方案時(shí)需要考慮許多參數(shù)。圖2顯示了選擇解決方案時(shí)的四個(gè)主要考慮因素。
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圖2：電池充電IC設(shè)計(jì) – 關(guān)鍵考慮因素 下面將進(jìn)一步詳細(xì)介紹這些注意事項(xiàng)：
拓?fù)鋵W(xué)
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)浣Y(jié)構(gòu)（見圖3）。
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圖3： 電池充電器拓?fù)?/font> 例如，大多數(shù)便攜式設(shè)備從USB端口充電。有兩種主要的USB類型：
USB Type-A：通常為5V，最大電流為1.5A，此USB類型可支持高達(dá)12V的快速充電（以及其他標(biāo)準(zhǔn)）
USB Type-C：5V/3A最大值。如果支持USB-PD，則可以在5A時(shí)將其增加到20V
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。例如，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)備不是從USB端口充電，建議使用降壓拓?fù)洌驗(yàn)檩斎腚妷菏冀K超過(guò)電池電壓。
控制回路
電池管理IC的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是它們具有多個(gè)控制環(huán)路。他們不僅需要管理輸入電壓和電流，還必須管理系統(tǒng)的功率，電池充電電流和電壓，電池溫度和其他參數(shù)（見圖4）。例如，系統(tǒng)通常必須根據(jù)電池溫度調(diào)整電池充電電流。
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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)輸入源電流能力和系統(tǒng)負(fù)載電流要求動(dòng)態(tài)調(diào)整電池充電電流。這可確保系統(tǒng)在使用超額電荷為電池充電時(shí)接收所需的電流。
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圖5： 電池充電器系統(tǒng)架構(gòu) 根據(jù)電池充電器的功能，有三種典型的架構(gòu)。 第一種架構(gòu)將電池直接連接到系統(tǒng)電源，并要求電池電壓達(dá)到最低系統(tǒng)電壓才能工作。 第二種是直通方法，它使用外部開關(guān)來(lái)管理電池充電和系統(tǒng)路徑。 第三種架構(gòu)是NVDC電源路徑管理，這是一種常見的方法，與前兩種架構(gòu)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
系統(tǒng)可以立即啟動(dòng)，即使電池電壓較低
系統(tǒng)電壓緊隨電池電壓，以降低系統(tǒng)組件的電壓應(yīng)力
當(dāng)輸入功率受限時(shí)，電池可以補(bǔ)充系統(tǒng)
系統(tǒng)可以與電池?cái)嚅_連接，以支持傳輸模式 圖6顯示了NVDC充電器充電曲線的運(yùn)行情況。
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圖6：具有NVDC特征的鋰離子充電曲線 當(dāng)電池電壓相對(duì)較低時(shí)，系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)在最低工作點(diǎn)（圖6中VSYS_REG_MIN）。當(dāng)電池電壓接近VSYS_REG_MIN時(shí)，電池和系統(tǒng)電壓會(huì)相互密切跟蹤。因此，無(wú)論電池的狀態(tài)如何，系統(tǒng)電壓始終保持在較窄的范圍內(nèi)。圖7顯示了實(shí)際范圍圖。
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圖7：典型充電曲線（工作條件：V在= 16V， V蝙蝠斜坡從 0V 開始，ICHG = 1.84A，I系統(tǒng)= 1A）
反向操作
上面討論的電池充電器操作已使用輸入源為電池充電或?yàn)橄到y(tǒng)供電。它還可以提供相反方向的操作，例如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。
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