【導(dǎo)讀】電池供電設(shè)備是現(xiàn)代科技不可或缺的組成部分，它徹底改變了人們的生活，讓很多電子設(shè)備能被隨身攜帶。例如，血糖儀和起搏器等醫(yī)療設(shè)備盡可能地減少了人們生活中的不便，便攜式電動(dòng)工具和無(wú)線電等設(shè)備可用于救災(zāi)協(xié)調(diào)等工作，而日常生活中使用的智能手機(jī)和筆記本電腦等電池供電設(shè)備則幫助人們高效工作和連接社會(huì)。
本文將討論四種電池化學(xué)成分（鋰離子、磷酸鐵鋰、鋰聚合物和鎳氫）在 30V 以下電池應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，另外還將介紹適用于這些電池類(lèi)型的電池充電 IC 如何在應(yīng)用中提升電池性能、運(yùn)行時(shí)間和使用壽命。
電池充電 IC 可確保電池充電安全，因此在電池管理系統(tǒng) (BMS) 中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它可與電量計(jì)、電池監(jiān)控器和保護(hù)器配合使用，幫助保護(hù)電池、監(jiān)控電池的健康狀況，并在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)與 BMS 進(jìn)行通信。
鋰離子(Li-Ion)電池
鋰離子電池常用于筆記本電腦、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和智能手機(jī)等設(shè)備。這類(lèi)電池具有較高能量密度和較長(zhǎng)使用壽命，且放電率低，可進(jìn)一步延長(zhǎng)充電間隔時(shí)間。
鋰離子電池的陰極為電池的正極，由鋰化合物制成；而陽(yáng)極為電池的負(fù)極，通常由碳制成。當(dāng)鋰離子電池充電時(shí)，鋰離子從陰極流向陽(yáng)極；反之，當(dāng)它放電為設(shè)備供電時(shí)，鋰離子從陽(yáng)極流向陰極（見(jiàn)圖 1）。
圖1: 簡(jiǎn)化的電池充/放電示意圖
鋰離子電池也有一些缺點(diǎn)。例如，過(guò)度充電或放電時(shí)，其性能會(huì)降低；在極端溫度條件下，它們具有潛在危險(xiǎn)，可能爆炸或著火。
鋰離子電池充電 IC
鋰離子電池充電 IC 用于為鋰離子電池充電，使其可重復(fù)使用。鋰離子充電 IC 可以監(jiān)控電池的電流、電壓和溫度，從而調(diào)節(jié)充電過(guò)程。它包括以下充電階段：
1. 涓流充電：此階段通常在電池電壓 (VBATT) 較低時(shí)使用，例如電池深度放電或斷連時(shí)。在涓流充電期間，充電 IC 會(huì)產(chǎn)生小電流為電池組的電容充電。
2. 預(yù)充電：在此階段，充電 IC 開(kāi)始對(duì)電池進(jìn)行緩慢充電，使 VBATT 以安全的速度緩慢上升。
3. 恒流（CC）充電：CC 充電也稱為快速充電，意味著電池可以安全承載更大電流。CC 充電階段持續(xù)到 VBATT 達(dá)到滿電電壓或浮充電壓。
4. 恒壓 (CV) 充電：此階段可保證電池的安全運(yùn)行。充電 IC 在 CC 充電期間監(jiān)控 VBATT ，一旦 VBATT 超過(guò)電池組中的單電池電壓，就會(huì)切換到 CV 充電。
5. 充電截止：充電截止代表充電的完成，此階段 VBATT 開(kāi)始衰減。
圖 2 顯示了電池充電 IC 的充電曲線。
圖2: 電池充電曲線
上述電池充電曲線也適用于其他電池類(lèi)型，包括本文列出的所有電池化學(xué)成分和電池充電 IC。
鋰離子電池充電 IC 和其他鋰離子相關(guān)電池充電 IC 通常還包含一些保護(hù)功能，如過(guò)壓保護(hù) (OVP)、短路保護(hù) (SCP) 和電池電壓保護(hù)等。此外，這些 IC 還可能提供可配置的保護(hù)閾值、限值和參數(shù)值，從而適應(yīng)各種 BMS 應(yīng)用。
以 MP2770 為例，這是一款單電池開(kāi)關(guān)充電 IC，可用于智能手表、游戲控制器、無(wú)人機(jī)和移動(dòng)銷(xiāo)售點(diǎn)系統(tǒng) (POS) 等便攜式應(yīng)用。當(dāng)連接輸入電源時(shí)，MP2770 在充電模式下工作，通過(guò) VBATT 以三種模式之一進(jìn)行充電：預(yù)充電、CC 充電和 CV 充電。未連接輸入時(shí)，MP2770 在升壓模式下工作，由電池供電。
MP2770 集成了一個(gè) 8 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，可以監(jiān)控輸入電壓 (VIN)、VBATT、系統(tǒng)電壓 (VSYS) 和電池電流 (IBATT) 等。MP2770 還可以配置其他參數(shù)以供靈活應(yīng)用，例如輸入電流限(IIN_LIMIT)、升壓電壓 (VBST) 和保護(hù)閾值等。
MP2770 采用節(jié)省空間的 QFN-18 (3mmx4mm) 封裝，并提供系統(tǒng)電源路徑管理功能，以實(shí)現(xiàn)高度集成的電池管理系統(tǒng)解決方案（見(jiàn)圖 3）。
圖3: MP2770 典型應(yīng)用電路
除電池充電 IC 外，鋰離子電池和其他鋰離子相關(guān)電池也可成為電池組的一部分。電池組將包含一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)連接的電池。在這種情況下，電池組及其電池管理系統(tǒng)都可受益于電量計(jì)、電池保護(hù)器和監(jiān)控器。
當(dāng)電量計(jì)（例如 MPF42791 和 MPF42793）與電池監(jiān)控器（例如 MP2790 和 MP2797）配合使用時(shí)，它們可以優(yōu)化充電并集成 BMS 的其他必要組件（包括電流采樣電阻器、電池均衡器、用于電池充電時(shí)通信的充電狀態(tài) (SOC) 監(jiān)控器），從而延長(zhǎng)電池的使用壽命。
磷酸鐵鋰(LFP)電池
LFP 電池是鋰離子電池的一種變體，其陰極材料由磷酸鐵制成，而不是鎳錳鈷 (NMC) 或鎳鎘 (Ni-Cd)。相比鋰離子電池，LFP 電池具有較低的能量密度和功率密度。因此，鋰離子電池更受空間受限應(yīng)用歡迎，而 LFP 電池在電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)、筆記本電腦和其他低壓電池應(yīng)用中并不常見(jiàn)。此外，LFP 電池具有較低的輸出電壓 (VOUT)，這會(huì)使電源設(shè)計(jì)復(fù)雜化，或者需要比鋰離子電池更多的串聯(lián)電池才能達(dá)到最低電壓要求。
但 LFP 電池也有明顯的優(yōu)勢(shì)。它成本較低，在較寬的溫度范圍內(nèi)可保持穩(wěn)定以確保安全，而且它比其他電池類(lèi)型具有更長(zhǎng)的生命周期，可以承受更多的充放電循環(huán)。憑借這些優(yōu)勢(shì)及其性能的穩(wěn)步提升，LFP 電池也可能會(huì)在低壓應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎。
LFP 電池充電 IC
LFP 電池充電 IC 的充電階段與鋰離子充電 IC 類(lèi)似，也包括 CC 充電、CV 充電和充電截止。LFP 電池充電 IC 可以簡(jiǎn)化電池管理系統(tǒng)中對(duì) LFP 電池的管理，因?yàn)樗鼈冃枰?jīng)常調(diào)節(jié)電壓，從而使電池通過(guò) USB 端口甚至太陽(yáng)能電池板獲得供電。
MP2652 是一款適用于電動(dòng)工具應(yīng)用的升降壓充電 IC，專為 2 至 5 節(jié)串聯(lián)電池應(yīng)用而設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖 4）。為保證安全電壓，MP2652 提供 VIN 限制功能，可防止輸入功率 (PIN) 源過(guò)載。此外，該器件還集成了 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) ，可在充電模式和源模式期間進(jìn)行監(jiān)控。
圖4: MP2652 典型應(yīng)用電路
MP2759 是另一款適用于工業(yè)醫(yī)療設(shè)備的升降壓充電 IC。它專為 1 至 6 節(jié)串聯(lián)電池組應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其工作電壓最大為 36V DC VIN，并具有 OR 電源路徑管理功能，可通過(guò)外部開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電池的可靠充電（見(jiàn)圖 5）。
圖5: 帶 OR 電源路徑管理功能的 MP2759
當(dāng)接入輸入電源時(shí)，MP2759 通過(guò)四個(gè)階段對(duì)電池充電：涓流充電、預(yù)充電、CC 充電和 CV 充電。其保護(hù)功能包括電池 OVP、過(guò)溫關(guān)斷保護(hù)和充電安全定時(shí)器。MP2759還提供狀態(tài)引腳以顯示電源和運(yùn)行狀態(tài)，從而提高可視性。MP2759A 與 MP2759 類(lèi)似，但它提供較窄的負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 窗口。
鋰聚合物電池
鋰聚合物電池常用于智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備等便攜式設(shè)備。這種電池輕薄，形狀和尺寸多樣，可適應(yīng)多種不同的應(yīng)用。
鋰聚合物電池的陽(yáng)極和陰極與鋰離子電池類(lèi)似，但使鋰離子在陽(yáng)極和陰極之間流動(dòng)的電解質(zhì)不同。鋰聚合物電池采用固體聚合物電解質(zhì)，更加靈活并有助于減輕重量。
鋰聚合物電池還具有較低的自放電率和較高的能量密度，因此可以保持存儲(chǔ)的能量，并提供更長(zhǎng)的電池壽命。然而，任何物理?yè)p壞或過(guò)度充/放電都可能導(dǎo)致電池膨脹甚至著火。而且，這種電池標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，因此有時(shí)無(wú)法應(yīng)用于不同的設(shè)備。
鋰聚合物電池充電 IC
鋰聚合物電池充電 IC 的功能與鋰離子/磷酸鐵鋰電池充電 IC 類(lèi)似。它們不僅充電曲線相同，還同時(shí)具備電壓和電流調(diào)節(jié)、安全保護(hù)以及防止過(guò)充和過(guò)熱的智能充電算法等優(yōu)點(diǎn)。這些特性有效延長(zhǎng)了鋰聚合物電池的使用壽命。
兼容鋰離子電池的充電 IC 也兼容鋰聚合物電池，例如 MP2770、MP2652 和 MP2759。
鎳氫 (NiMH) 電池
鎳氫電池常用于數(shù)碼相機(jī)和便攜式電動(dòng)工具。與標(biāo)準(zhǔn)電池不同，鎳氫電池可以充電并重復(fù)使用。
鎳氫電池的陰極是鎳基，陽(yáng)極通常為可吸收氫的合金，另外還采用堿性電解質(zhì)來(lái)促進(jìn)陽(yáng)極與陰極之間的離子流動(dòng)。
鎳氫電池具有高能量密度和低自放電率，因此可以在較長(zhǎng)的非活動(dòng)時(shí)間內(nèi)保持電量。但這種電池只能提供每電池 1.2V 電壓，這限制了其應(yīng)用范圍；且不完整的充/放電周期也會(huì)對(duì)其最佳充/放電能力產(chǎn)生負(fù)面影響。
鎳氫電池充電 IC
盡管鎳氫電池與鋰電池的化學(xué)成分完全不同，但它們的充電 IC 均遵循所有充電 IC的基本規(guī)則，即二者都能為電池和電池充電器提供多種保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)參數(shù)監(jiān)控與配置功能。鎳氫電池充電 IC 還能跟蹤 VBATT 的變化，從而調(diào)節(jié)充電過(guò)程。
MP270x 系列器件（包括 MP2700、MP2702 和 MP2703）均為線性電池充電 IC，可用于 2 至 6 節(jié)鎳氫電池應(yīng)用。該系列的每款充電 IC 都具有高達(dá) 26V 的耐受電壓，并分四個(gè)階段為電池充電：涓流充電、預(yù)充電、CC 快速充電和 CV 充電。
用戶可根據(jù)應(yīng)用需求選擇適合的充電 IC 功能，例如 PIN 監(jiān)控（MP2702 和 MP2703）、充電狀態(tài)指示（MP270x 系列），以及可啟用整個(gè)芯片的使能 (EN) 引腳 (MP2702)。還可選擇內(nèi)存以配置輸入電流限 (IIN_LIM)、最小 VIN 限制和電池滿電電壓等參數(shù)。圖 6 所示為 MP2702 的典型應(yīng)用電路。
圖6: MP2702 典型應(yīng)用電路
結(jié)語(yǔ)
電池供電設(shè)備改變了人們與世界連接的方式，而它們的充電方式對(duì)其功能和持久使用至關(guān)重要。 本文探討了多種電池化學(xué)成分以及這些化學(xué)成分對(duì)低壓系統(tǒng)電池管理系統(tǒng) (BMS) 的影響。
盡管電池均遵循通用的充電規(guī)范，但化學(xué)成分的不同使其典型應(yīng)用也有所不同，因此需要兼容的充電 IC 來(lái)確保其安全性和效率。但即使是適用于相同電池化學(xué)成分的充電 IC，適合的應(yīng)用也可能不同，例如 MP2652 非常適合電動(dòng)工具，而 MP2759A 則是醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。
MPS 提供豐富的電池充電 IC 產(chǎn)品組合，包括線性電池充電 IC 和 3 節(jié)及以上串聯(lián)電池的充電 IC，這些產(chǎn)品幾乎涵蓋了所有應(yīng)用。對(duì)于電池組中的電池，MPS 還提供電量計(jì)、電池保護(hù)器以及監(jiān)控器來(lái)提供額外的保護(hù)和功能，從而優(yōu)化 BMS 的整體性能。
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