Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 功率技術/新能源
 
 
功率技術/新能源  

安全、高容量的鋰電池充電設計方法

上網時間: 2007年12月24日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:可攜式電子  鋰離子電池  電源 

新一代可攜式電子裝置的性能不斷的進步。設計人員為符合市場需求也不斷增加新的功能,於是系統對電源的需求也因此而有更高的要求,而高容量鋰離子電池因為能提供系統足夠的運作時間。對大多數的可攜式消費型產品而言,鋰離子電池已成為首選電源。與其它類型的電池相比,鋰離子電池具備更多優越性,例如較高的儲能密度和電池電壓。然而,隨著電池容量增大以應付逐漸增長的電源需求,消費者對於縮短電池充電時間和縮小電池體積的要求也越來越嚴格;而達成這些需求便成為設計人員的首要挑戰。

鋰離子/聚合物電池封裝的最佳充電速率為1C,此意謂著一個1,000mA/H的電池應以1安培的電流進行快速充電。依此速率可以實現最短的充電時間、並且不會降低電池的性能或縮短使用壽命。為了達成容量逐漸增加的電池封裝可以達到較佳的充電速率,提高充電電流值是不可避免的。這就導致了設計上的一些大難題,其中最重要的就是在充電管理控制器IC內和系統電路板上產生的熱量問題。為了解決這些問題,必須進行更周密的散熱設計,以下的分析表示,在許多情況下,在充電管理IC內、整合功耗最大的輸出電晶體(Pass Transistor)將成為性能設計和操作範圍的一大侷限。

單個和雙個鋰電池應用裝置中廣泛使用線性電池充電方式,其功耗可依下列公式計算出:

式中的PD為功耗;VDD為輸入(轉接器)電壓;VBATTERY為電池電壓;ICHARGE為快速充電電流。

上述的公式顯示,在輸入電壓值和電池電壓值的壓差過大且充電電流值也大的情況下將會產生最大功耗。試舉一例說明:汽車電源或家用牆上電源提供了5V (10%供電電壓,3.0V的電池電壓還有1A的快速充電電流(例如1,000mA/H電池的1C的充電速率)。在這樣的情況下,功耗值計算如下:

PD=(5.5V-3.0V)x1A=2.5W

表1顯示了一些最常用的封裝選擇,在功耗為2.5W、最大接合面溫度為125(C的情況下,最大可操作環境溫度的值。

顯而易見地,對大多數的封裝型式而言,最大環境溫度的限制對散熱設計產生了諸多難處;而且,在真實世界裡要達到其中的工作操作條件是不可能的,為上述運作所設的條件甚至沒有考慮到最壞的狀況;例如,電池也有許多不當的條件(例如深度放電),在電池充電初期電池電壓可能低至2.7V。此外,市售的轉接器並不能提供依穩定的電壓輸出,因此讓電池充電器有可能接受高於5V的輸入電壓。

現今市場的需求,一些新型的應用需要更高的電池容量以應付產品的功耗,現今超過1000mA/H的電池也漸漸流行起來。

表1:在JEDEC空氣靜止容器內結合面到環境的熱阻。
表1:在JEDEC空氣靜止容器內結合面到環境的熱阻。

有些電池充電器,如Microchip公司的MCP7384x元件,採用了一個外部P通道MOSFET。外接的MOSFET可在更高的溫度下運作,且並不影響其穩定度。它們被使用在各類散熱封裝,可使功耗更大、還有可操作環境溫度更高。選擇一個能滿足應用功耗和電力需求的MOSFET可達成更高的系統性能和成本的最佳化。圖1說明了電池充電器的典型電路配置。

圖1:高容量電池封裝的典型充電電路結構圖。
圖1:高容量電池封裝的典型充電電路結構圖。

MCP7384x也提供了最大+/-0.5%的電壓調節精確度。由於電池過度充電與不足皆會減少電池性能及使用壽命,所以充電管理控制器IC能為電池提供高度精確的電壓值是非常重要的。

超過電壓臨界值雖然能使可用電池能量短期內增加,但持續的過度充電將會縮短使用壽命和引發安全問題;另一方面,充電不足也會減少電池可用容量,因此縮減電池使用次數。

綜合以上各點,提供一個精確的電壓調節可增加電池容量並確保安全操作。圖2及圖3即說明了電壓精確度的小幅調降可導致電池容量的大幅減少。

圖2:電池容量與充電電壓的關係。
圖2:電池容量與充電電壓的關係。

圖3:在充電電壓不足時的電池容量損失。
圖3:在充電電壓不足時的電池容量損失。

當電池電壓處於再充電臨界值以下時,MCP7384x系列產品會自動開始新的充電週期,使得電池始終保持在接近全滿的電量,任何時點都可供利用。而利用「低電流充電」的方式反而會降低使用年限。

預計未來幾年,可攜式設備的類型會越來越多。延長電池壽命並縮短電池充電時間對使用者來說相當重要。電池製造商已經提供了新型、小體積並具備高容量的鋰離子電池封裝以達到當前對功率的要求。

高容量電池能夠延長使用壽命,卻也使設計更困難。解決兩方面問題都需要精確的電壓穩壓控制、還需結合外部電晶體以期在提供較高的充電電流外、還能確保高溫環境下的穩定性。

供稿:Microchip公司




投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 安全、高容量的鋰電池充電設計方法
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


 
返回頁首