符合3C需求的充電控制

運用充電電池的任何系統設計人員需要注意某些基本設計技巧，以確實符合以下三大需求：

電池安全性（Cell Safety）

使用者的安全性應該是任何系統設計的最首要考量。鋰離子及鋰聚合物電池組內含防護電子裝置，然而系統層級也有其他重要的考量，其中包括（但不限於）確保鋰離子電池最後充電階段的電壓調節容差為1％、可針對電量即將用盡的電池進行安全處理的預先調節模式、安全性計時器及電池溫度監測。

電池容量（Cell Capacity）任何電池充電解決方案必須確保電池每次充電都能夠完全充滿。充電過早終止會導致使用時間縮短，這對於現今亟需用電的可攜式裝置而言相當不理想。

充電週期（Cycle-Life）

採用建議的充電演算法，是確保使用者充分運用各電池組最大電量的重要步驟。若要使電池使用時間達到最長，必須控制每次充電的電池溫度及電壓、預先調節電量即將用盡的電池，並且避免充電過晚或不當終止。

選擇電池化學材料

現今的系統設計人員可以選擇多種化學材料，設計人員一般會根據以下多項標準選擇化學材料：

雖然近年來偏向採用鋰離子及鋰聚合物化學材料，但是鎳質化學材料也運用於許多消費性產品應用。無論選擇何種化學材料，都必須採用各種化學材料適用的充電管理技術。這類技術可確保每次都將電池充電到最大容量，而不損及安全性或電池的週期壽命。

鎳鎘 /鎳氫

開始充電前，必須確認鎳鎘及鎳氫電池的條件，並且可能需要進行調整，才能夠進行快速充電。如果電池電壓或溫度超過限度，則禁止進行快速充電。基於安全考量，溫度過高（一般超過45℃）的電池不可繼續充電，必須等到電池降溫到正常的操作溫度範圍再繼續。為了調節溫度過低（一般低於10℃）或過度放電的電池（一般各電池低於1V），需要少量的定電壓限電流。

電池溫度及電壓都在有效範圍內時，即可快速充電。鎳氫電池一般以1C（含）以下的穩定電壓進行充電，某些鎳鎘電池的充電速度則可達到4℃。適當的充電終止可避免有害的過度充電。

對於鎳質充電電池，可根據電壓或溫度進行快速充電終止。如圖一所示，一般採用的電壓終止方法是峰值電壓偵測，當各電池的峰值電池電壓介於0至–4mV的範圍內時，便會終止快速充電。溫度方法則是以電池溫度升高的速率T/t來偵測是否完全充電。一般T/t速率為每分鐘1C。

《圖一　鎳質電池的充電配置》

鋰離子/鋰聚合物

同樣地，鎳鎘、鎳氫及鋰離子電池必須經過調整及配置，才能進行快速充電，採用類似前述的條件控制及調節方法。

如圖二所示，經過調整及預先調節，鋰離子電池會先以1C (含) 以下的電流進行充電，直到電池達到充電電壓限制為止，此一階段的充電一般可充電到70％的程度。此後電池會繼續以一般為4.2V的穩定電壓進行充電，為了達到最大的安全性及可用容量，必須將充電電壓調節為1%。在此一階段的充電期間，電池引入的充電電流會逐漸減少。一旦電流量低於1C充電速率下初始充電電流的10％至15％時，一般便會停止充電。

《圖二　鋰質電池的充電配置》

切換模式及線性充電拓樸

長久以來，手持裝置都使用線性充電拓樸，此方法能夠為設計人員達到多項優點，例如低實作成本、設計簡便性，以及不需高頻率切換的「無雜訊」運作。然而，線性拓樸會使得系統造成功耗，尤其較高的電池組容量會造成充電速率增加。如果設計人員無法管理設計的散熱問題，這會是重大的缺陷。

另一項重大缺陷是，以PC的USB連接埠做為電源。現今許多可攜式裝置都提供USB充電的方式，其充電速率可達到500mA。由於線性充電拓樸的效率不彰，因此可從PC的USB輸出的電量不多，因此充電時間相當長。

切換模式拓樸便因此應運而生，其主要優點在於效率提高。與線性穩壓器不同的是，電源切換是在飽和區域中操作，這可有效降低整體漏失。降壓式轉換器功率損耗的主要來源是電源切換中的切換損耗，以及濾波器電感中的直流電損耗。視設計參數而定，這些應用的效率也經常超過95％。

大多數的人聽到切換模式，總是聯想到大型IC、大型PowerFET和超大型電感。雖然這類應用確實處理數十安培的電流，但是手持裝置的新一代解決方案已非如此。新一代的單顆鋰離子電池切換模式充電器可達到最高的矽產品整合度，並使用1MHz以上的頻率以大幅減少電感的大小。圖一顯示現今可用的這類解決方案。高位及低位PowerFET整合的矽產品大小均小於4mm2。此解決方案的切換頻率為3MHz，需要寬2mm、長2.5mm、高1.2mm的小型1uH電感。

---作者為TI德州儀器產品線管理部門總監---

參考資料