应对电池管理的挑战

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[导读] 与某些只需简单的电流源即可完成再充电的电池不

与某些只需简单的电流源即可完成再充电的电池不同，锂离子电池有着特殊的需求，为满足需要各半导体厂商推出了种类繁多的IC。半导体业界将这些产品归入“电源管理”或“电池管理”一类。尽管电池看上去象简单的双端器件，但用户必须注意使用方法，才能从中汲取最大的电力。

在电池管理IC领域，每一家制造商在将功率从电源传送给负载方面所采取的方法都不同，他们提供了大量的应用信息，以方便工程师设计出电池管理电路。本文将集中讨论充电问题，关注如何管理几种电源的供电并测量电池中的能量。

下面列出设计者希望电池管理IC具有的基本特性：

设计者希望通过外部元件及充电器IC对充电电流进行编程设定或者通过一个连接到主控微处理器或微控制器的简单接口(如I2C)对其量值进行编程设置。一个独立的充电器不需要动态编程能力，但若设计者计划让处理器控制充电操作，他们可能会希望实时动态的对电流进行设置。

设计者需要选择一个充电结束电流，以便让电池管理IC明白电池何时已经充满。对于锂离子电池而言，一般在电流大致下降到其正常值10％的时候停止充电。但设计者可以选择，譬如说，电流下降到正常值的15％来作为停止充电的极限。他们可以通过调整连接到IC引脚上的外部元件的参数值或者通过到一个处理器的接口连接来调节这一设定点。设计者还希望能选择不同的端电压，如4.1V 或4.2V，以照顾到不同化学原理的需要或者应付来自不同供应商的电池。

一路或多路充电状态输出可以指示充电循环进行到何种程度。这些信息一般是通过LED来显示的，而且LED还可以指示充电器的一些其他状态，如预充电、恒流、恒压或者充电结束等。这些输出还能根据情况向主控制器或者其他电路示警。可获得的状态指示功能取决于设计者选择的IC型号。

设计者还必须考虑安全性，如果充电器IC过热的话，它应该能让充电终止或者切断到电池的连接。National Semiconductor公司的便携式电源系统产品开发主管Bruno Kranzen推荐在设计中加入看门狗定时器。“电路不应当试图对一个有缺陷的电池无限期的充电下去，因为这样做会损坏电池以及由其供电的系统。”

大多数锂离子电池组件内带一个热敏电阻，这样当电池过热时，相应的管理IC可以中断充电过程。举例来说，当电路试图对电池进行过充电或者将过大的电流灌入严重耗尽的电池时，就会出现过热现象。在进入正常的充电循环前，耗尽的电池可能需要先以一个较低的电流(通常小于100mA)进行预充电。

(a)National Semiconductor 公司推出的新式LM3658

(b)Texas Instruments公司的bq24020DRC

图1  两种器件执行类似的功能—从AC适配器或者USB连接处获得电能来对锂离子电池充电。外部的信号启动这些充电器IC，并设定USB电流

图2  锂离子电池和外接电源通过Linear Technology LTC4055芯片与设备连接。该芯片控制电力发送的方向——到设备、到电池还是同时给两者供电。该芯片的两种状态通过LED发光以指示电路的工作情况

发热会造成损伤

“发热还有另一方面的原因。” Texas Instruments公司的电源管理产品营销经理Peter Fundaro认为。一个控制FET的线性充电器会发热，所供电的设备也会发热，而且处于充电状态的电池亦会发热。发出的热量将使温度升高而使充电器关闭。但由于设备继续在外电源驱动下运行，它的使用者会认为电池已经充满，但事实上并没有。

如果想让机器在充电的同时保持运行，那么发热会造成一些隐患。以前没有遇到此类问题的设计者常常要付出艰苦的努力才能弄清出现了什么问题、如何去解决。

意识到上述的基本需求，IC供应商Linear Technology、National Semiconductor、Texas Instruments以及其他厂商已经设计出各种各样的器件，可以让设计者选择如何控制便携式装置中的电池电源(图1)。可供选择的范围覆盖了从专用的独立电池管理IC到由处理器控制的器件等各种类型的产品。

但很多设计者并不想对充电过程进行那么多的控制，各公司为他们提供了各种独立的、能提供多种功能的IC。“我们提供能自动选择电源的IC—首先是电池、然后是电池或墙上电源适配器—以确保系统的供电不中断，” Gurries说。“我们已经把这种‘综合能力’放入硬件中了。”

那些想通过微处理器或微控制器来进行电池管理的工程师们，必须先确保处理器能处理好其主要任务。因此设计者必须平衡好这些任务所需的资源和管理电池的电路所需资源之间的分配关系。对于完整的电池控制来说，处理器可能需要提供模拟和数字I/O引脚，在某些情况下可能还需要为电池管理电路执行定时器和脉宽调制器功能。“设计者还必须写出监管电池管理任务的代码，以监测温度、检查电池充电水平等等。”TI的Fundaro先生强调。

分接若干种电源

无论设计者使用独立的还是基于处理器的电池管理电路，都需要连接到外部电源上，以便对电池进行充电、或者提供辅助供电。供电方式的多样化又带来了另一些挑战。“当便携式设备包含一个电池和一个AC适配器或者墙上电源适配器时，最好还是在适配器供电下工作。”Fundaro说，“但若是用户切断了AC适配器的连接，电源系统必须切换到电池上，而且不能让设备关机，这正是这些IC所能执行的另一项功能。”

能依靠多种电源供电的设备中电池管理电路必须要确定：

“这是难以解决的问题，”Linear Technology公司的产品营销工程师Tony Armstrong说。当用户将一个典型的电池供电的系统连接到AC适配器上时，所有电能必须首先流经一个线性电池充电器到电池，然后由电池来驱动系统。这种安排使效率降低了30％，因为很多电力浪费在充电器上。如果系统装的电池已经耗尽，电池充电器就将所获得的大多数电力耗散掉，这些电能不会到达便携式设备或者充入电池中。“我们称之为充电器馈电系统”Armstrong说，“因为电池始终为系统供电，所以当你切断连接时，你的电池并没充满电。”

另外，人们会用USB端口作为电源吗？当然。USB端口可以发出100mA的电流，而与之相连的装置与USB主控协商后可以汲取高达500mA的电流。对电池充电标准而言，这一电流水平看上去并不高，但如果一个USB装置内带一个电池的话，它就能利用外部提供的任何电流源进行充电。因此如果有人将一个移动电话或者数码照像机连接到一个USB端口上时，他们不用花费很大代价就可以在器件保持连接的时间里对电池进行充电。

National Semiconductor公司的Kranzen还补充说，“人们喜欢以一个USB来作为‘油料补给源’。他们可以利用笔记本电脑通过USB端口对移动电话、PDA或所带的任何便携式设备进行充电，这样就无需在旅行的时候另外再带个充电器了。”

保留适当的电能

无论人们如何对一个锂离子电池进行充电，或者使用其电源，他们都想了解电池中还剩余多少电力。电池“油量计”将提供该信息，指示方式常常是条形图或者其他的显示器指示。精确的显示剩余电力的情况，可以尽可能地延长用户使用其便携式设备的时间。这种电量计具有的独特优势在于：对剩余电力的精确测量可以让设备以适当的方式关闭，这样它能够在设备完全用尽电力之前将数据存入磁盘，对系统信息进行备份等等。TI公司的Fundaro评价说：“如果一个装置不能准确的指示电力水平的话，人们为购买昂贵的大容量电池所投入的金钱就未得到应有的回报。由于不知道离电池用光还有多远，他们就会过于频繁地对电池进行充电，或者充电不充分。”

与一个能直接测量出燃油液位的汽油油箱内置传感器不同，电池电量计对流入和流出电池的电子流进行测量。这种非直接测量具有自身的一些问题。“设计者需要记住的是，在一个应用中，比如说1A-h容量的电池，并不能一直提供如此大的功率，”Fundaro说。“让电池快速放电就会使能汲取的电能容量减少，但温和的放电可以释放出超过额定容量的电力。电量计电路必须根据装置从电池中吸取电力的方式来确定电池的容量情况。”

与大多数仪表一样，油量计需要定期的校准。这些重新校准或者重新设定过程必须在特定条件下进行，由系统设计者进行规划。当电池管理IC确认电池无法再发出电力时，IC就让“油量归零”，指示电池中没有电量剩余。利用存储在电池管理IC的EEPROM或者FLASH存储器中的数据或者连接到管理IC引脚的元件，就能完成电量计重设。

但是，若一个电池经历多次能量很小的充、放电循环之后，电池就永远也达不到能让电量计归零的“用空”状态。在这种情况下，电池管理电路可以通知设备将电池完全放电，以便能完成归零操作，或者电池管理IC根据环境条件和电池使用循环等情况将其电量计数据归零。一些电池管理IC监测使用模式并据此对计量过程进行相应的调整(见图3)。

Fundaro解释说：TI正在研究一种新算法，以电池的阻抗来计算出剩余容量。“随着时间的流逝，内阻抗将会增加，因此电量表可以使用这一信息来弄清电池的容量变化了多少。下一代阻抗追踪技术将减少某些应用中出现的电量计误差累计现象。”

不要被这些仪表的可编程特质吓到，芯片厂商提供了充分的、关于电量计电路实现和任何固件操作方面的信息。