锂离子(Li-ion)电池现在是需要最高可用功率浓度的应用的流行选择，无论是单位体积还是单位重量。这些电池可以比镍镉电池、镍氢电池和其他可充电电池储存更多的能量。电池制造商开发了锂离子技术，以避免金属锂的挥发性问题(参见附录，“为什么是锂?”)。由于没有锂金属，锂离子电池不受原电池的运输规定的约束，因此它们可以更大，容量更大。

然而，锂离子电池并非坚不可摧。它们要求严格遵守充电和放电规则。忽视这些规则，你就有可能缩短电池寿命或破坏电池及其周围环境。作为一种故障安全措施，电池组制造商通常包括一个保护开关，以防止电池过度充电或放电。专门的充电和放电电路也可以防止这些情况。

首先考虑充电电路

不幸的是，对于锂离子电池的充电并没有统一的规则。由于锂离子电池技术是如此的新，电池充电的规则和要求往往因制造商而异。一个典型的充电器必须首先提供一个恒流源，然后在充电结束时提供一个恒定的浮压(被认为是一个充满电的电池的标称水平)。这种电流和电压组合源的设计是棘手的，因为输出阻抗必须高的电流源和低的电压源。

充电电流取决于电池的大小和容量，所需电流从几百毫安到2.5A不等。锂离子电池的确切化学成分因制造商而异，通常是专有的，但最终的终止电压通常从4.2到4.3V不等。虽然充电电流的精度约为±10%，但对终止电压的要求通常为±1%。

选择充电器拓扑

电池充电器一般使用线性调节器来控制电池的电流或电压。因此，充电器的输入电压高于电池电压，通过晶体管降低两个电压之间的差值。虽然简单且便宜，但这种方法可能效率低下。

对于由交流线路或汽车电池供电的独立装置来说，效率并不重要;然而，由于电池组和系统变得更加复杂，充电器电路通常必须位于便携式设备或电池组本身。这种系统通过设计为充电器提供足够的电力，但低效的电路会产生过多的热量，从而导致系统其他部分出现问题。

下面的例子说明了充电器可以产生多少热量。当充电电压为8V±20%时，对一个锂离子电池进行1A充电，典型功耗为1A(8V-3.8 v) = 4.2W。最坏的耗散是1A((1.238V)-2.5V) = 7.1W，这意味着充电器可能比系统耗散更多的功率。如果充电器内置在电池组中，产生的大部分热量会进入电池，缩短电池寿命并产生潜在的安全隐患。

线性调节器充电器由于其耗电量大，通常是不能接受的，所以设计师通常选择更冷、更高效的开关模式充电器。开关模式调节器中的晶体管像电源开关一样打开和关闭，在截止和饱和状态之间进行突然转换。这个动作产生一个矩形波，通过电感/电容滤波器来获得所需的电压或电流。

开关模式充电器运行冷却器

开关模式稳压器的功耗通常比线性稳压器小得多;典型的开关效率是80%到90%。对于上面的例子，一个典型的开关稳压器以80%的效率工作，比线性稳压器提供了相当大的改进。开关功耗3.8V31A((1/0.80)-1) = 0.95W(典型)和4.2V31A((1/0.80)-1) = 1.05W(最大)。

然而，开关模式充电器也有缺点。它们昂贵的LC无源滤波器与线性充电器的全有源元件相比，线性充电器的IC形式相对便宜。另外，开关模式充电器的噪声比线性充电器大得多。对于手机和其他对噪声敏感的应用，电源开关的存在会在系统中产生传导或辐射干扰。您可以通过适当的旁路和屏蔽以及选择避免音频、射频和中频频段的开关频率来防止这些问题。

LC滤波器可以代表开关模式充电器成本的很大一部分，因此通过增加开关频率来减小该滤波器的尺寸和成本是值得的。另一方面，过高的频率会降低充电器的效率，这首先破坏了使用开关模式充电器的主要好处。

开关损耗主要发生在开关晶体管中。在开关状态之间的短暂过渡期间，电流和电压水平相对较高，并且这些水平导致功耗与开关频率成正比。设计人员很少在这些应用中使用双极晶体管，因为这些晶体管不能在高频下足够快地退出饱和状态以有效运行。另一方面，如果一个足够低的阻抗源驱动mosfet的高电容栅极，则mosfet表现良好。

切换损耗降低性能

导通电阻是开关晶体管损耗的另一个主要来源。例如，处于饱和状态的MOSFET表现为漏极和源极之间的电阻。更高的导通电阻意味着更高的功耗，但器件技术已经大大降低了这种电阻。然而，降低导通电阻通常会增加栅极电容，从而增加开关损耗。因此，您必须仔细选择MOSFET以降低整体功耗。

高频开关的另一个缺点是在充电和放电开关MOSFET的栅极电容时功率损失。这种损耗对轻载效率的影响最为明显。您可以通过使用脉冲频率调制(PFM)而不是脉冲宽度调制(PWM)来控制开关晶体管，从而最大限度地减少损耗。

PWM电路以固定频率工作，并通过调节开关晶体管的占空比来调节V(OUT)。PFM电路以固定的间隔打开晶体管，并通过调整这些间隔的频率来调节V(OUT)。因此，对于轻负载的稳压器，PFM控制消耗更少的功率，因为功率晶体管的开关速率低至几赫兹。对于较重的负载，PWM和PFM稳压器的典型开关频率在数百千赫兹。

处理稳定性

稳定性是锂离子电池充电器设计中最困难的问题之一。如前所述，充电器输出必须同时作为电压源和电流源。不幸的是，很难使电路在两种模式下都能很好地工作，因为要求是严格的;电流源应具有高源阻抗，电压源应具有低源阻抗。充电过程中电池电压和电流的缓慢变化率在一定程度上减轻了稳定性问题。然而，来自调节不良的交流适配器的输入电压可能包括大量的60Hz或120Hz纹波，这会影响充电器的电压和电流调节。

分析一些实际电路

充电器的设计遵循所有符合锂离子电池的需要，从电流切换到电压调节。每个电路向您展示了不同的充电器设计，例如具有不同数量的充电电流，以适应各种应用要求。

图1a中的降压充电器调节进入放电电池的电流，同时监测电池的上升端电压。当该电压达到R(1)和R(2)设定的浮子电压(本例中为4.2V)时，电路从电流转向电压调节，并在电池电流逐渐减弱时保持浮子电平。图中的配置为一个电池充电，但电路可以处理多达三个锂离子电池串联。该电路在给电池充电时也提供负载电流。

0.1
电阻R(3)在最大允许电流为100mA时下降10mV，检测电池电流。运算放大器IC(2)以128的增益放大这10mV的下降，并在IC(1)的反馈端呈现1.28V的阈值电压。因此，电路保持100mA的电池电流，直到其终端电压达到4.2V，这使得分流稳压器(IC(3))将电流和偏置Q(1)传导到有源区。当Q(1)的集电极将电流输入R(4)和R(5)时，运放通过降低输出电压来维持回路中的平衡。这个动作将控制从运放的电流调节转移到分流调节器的电压调节，当运放的输出达到0V时，分流调节器将完全控制运放。

并联稳压器精度为0.4%，因此使用0.5%的电阻可确保输出电压有1%的容差。您可以通过注意稳压器的反馈电压为2.5V来计算V(OUT): V(OUT) = 2.5((R(1)+R(2))/R(2))。调节电流为

我 = V (REF) 3 R (6) / (R (3) 3 (R (5) + R (6))), V (REF) = 1.28 V。

对于轻负载电流，由于固定的静态功耗，效率较低(图1b)。该图显示了从充电周期开始到结束时效率和输出功率的变化情况。该图还显示了电路从电流调节到电压调节的变化。

由于低V(OUT)时D(1)上的下降更为显著，因此电流调节期间的效率也与低输出电压成正比。最大功率表示充电器从电流调节模式转变为电压调节模式的点。因此，充电器首先向放电的电池提供250mW，峰值为420mW，并在电池充满电时降至零。

提供更多电流

外部开关MOSFET的更大电流能力在提供超过200mA充电电流的电路中是有用的(图2)。该电路将输出电流调节为1A，但MOSFET使充电器能够提供超过2.5A的负载和电池综合电流。该电路将输出电压调节为8.4V，但电压和电流调节电路与图1a所示的相似。此外，就像图1a中的电路一样，该电路可以为多达三个锂离子电池串联充电。图2中的V(OUT)和I(OUT)计算与图1a相同，只是图2中IC的参考电压是1.5V而不是1.28V。

升压式电池充电器

图3中的充电器与图1和图2中的充电器类似，但它采用升压转换器(IC(1))，使电路能够在低于电池的电压下工作。这个电路的一个问题是从输入到电池的直流路径，当V(IN)超过电池的终端电压时，它允许不受控制的电流通过电池。锂离子电池电压不应低于2.5V，因此每个电池的V(IN)不应高于2.5V。

电流检测电阻R(1)和共模放大器电阻R(2)至R(5)决定电池电流。(R(2)和R(4)的值应该相同，R(3)和R(5)的值也应该相同。)调节电流I(OUT)等于V(REF)3R(2)/R(3)3R(1)。在此例中，V(REF) = 1.5V，则设I(OUT) = 0.4A。当稳压电路控制时，如图1和2中的充电器所示，电池电压调节为8.4V。

以固定频率工作

许多应用要求开关转换器和充电器在固定频率下工作。否则，变频开关噪声会干扰敏感电路，如射频、中频和音频放大器。例如，在图4a中，降压DC/DC转换器(IC(1))具有一个内部振荡器，其频率可以在150kHz或300kHz的固定值上由用户选择，也可以与外部时钟同步。

该充电器还替代了一个外部同步整流MOSFET, Q(2)，用于传统降压转换器中的肖特基捕获二极管。(肖特基二极管D(1)与MOSFET保持平行，以防止电流波形中的不连续。)同步整流MOSFET充当整流器，其开关与变换器的开关同步。这种安排提高了效率，仅仅是因为MOSFET的电压降比捕获二极管的电压降低。这一优势在低电压(OUT)应用中尤其重要，在低电压(OUT)应用中，二极管压降占V(OUT)的很大一部分。第二个肖特基二极管(D(2))在低电压(in)或输入短路的情况下防止电流从电池流出。其结果是效率较低，但不像传统整流电路那样低。

在电流模式控制期间，IC(1)监测电感电流作为R(1)上的下降，由运算放大器IC(2)和电阻R(2)到R(5)检测。控制电路类似于图3。该电路将电池电流调节到2.5A±10%，然后将电池电压调节到4.2V±1%。IC(1)内部的低压差5V稳压器产生电源轨(VL总线)，为内部控制电路和MOSFET驱动器供电。因此，V(IN)可以上升到30V，而无需驱动MOSFET栅极超过其绝对最大额定值。为了最大限度地减少功耗，VL总线的外负载能力(5V时5mA)可以为IC(2)的低压运放供电。

由于Q1的跃迁损耗随着V(IN)的增加而增加，因此该电路的测量效率随着V(IN)的增加而略有下降(图4b)。与低V(OUT)相比，D(2)上的下降是显著的，因此电流调节期间的效率(如图1b所示)与V(OUT)明显成正比。在大多数情况下，该电路的效率在85%左右。

图5a中的充电器与图4a中的充电器类似，不同之处在于该充电器可以处理多个电池串联的电池。这个电路以300毫安的电压给两个电池充电。分压器R(2)/R(3)和R(4)/R(5)将R(1)两端的电流检测电压降低到适合控制器的水平。内部电流感应放大器的共模范围为2V至6V。为了避免引入偏移，你应该在分压器中使用1%的电阻。

此外，C(1)和C(2)抵消由分压器电阻和与控制器的CSH和CSL引脚相关的寄生电容形成的极。该电路将V(OUT)调节到8.4V;否则，它类似于图4a中的单单元版本。图5b显示了该充电器的V(OUT)/I(OUT)特性，图5c显示了不同V(IN)值下其效率与输出功率的关系。

不要把所有的设计精力都花在充电器上;锂离子电池对过放电和过充电都很敏感。对于大多数此类电池，低于2.5V的放电会降低电池容量。为了防止这个问题，大多数锂离子电池组包括一个传感电路和MOSFET，如果电池电压降得太低，则断开负载(图6)。

图6中的每个电路都包括一个µP监控器IC，设计用于在其电源电压降出稳压时发出复位到µP。在这种情况下，主管控制一个MOSFET，在预设的2.63V阈值下断开电池与负载的连接，从而防止电池电压降至2.50V。ic采用很小的SOT-23封装。当与micro -8尺寸的MOSFET (International Rectifier, El Segundo, CA)结合使用时，结果是一个适合在电池组内部使用的小电路。

在图6a的电路中，正常工作为n沟道MOSFET的栅极提供正电压，允许电池电流流向负载。当V(CC)低于复位阈值时，栅极电压变低并关闭MOSFET。相反，图6b的电路支持正常工作，低电平栅极驱动p沟道MOSFET，并通过高电平驱动MOSFET栅极来标志低电压(CC)状态。

n沟道MOSFET具有比等效p沟道类型更低的导通电阻，因此图6a中的电路比图6b中的电路具有更小的MOSFET损耗。然而，一些电池组包括燃料测量和电压感应电路，这是参考电池地面。当图6a中的MOSFET断开时，电路通过负载端子将电池的正极接地，迫使负极和任何相关信号相对于负载为负。这种情况会破坏系统。

图6中的简单电路有一些缺点。监控ic的脱扣精度在温度下约为±5%，因此必须将标称脱扣电平设置在至少高于电池最小终端电压5%的位置。因此，在某些情况下，电池和负载可以在V(CC)达到所需阈值之前断开，从而在电池中留下未使用的电荷。另一个缺点是在开关动作中没有迟滞。当负载被移除时，电池电压上升，从而消除了电池内部阻抗的下降。这种上升可以允许负载重新连接，然后断开连接，然后重新连接，等等。循环继续，直到电池的开路电压降到复位阈值以下。

另一种电路结构通过使用额外的比较器和分压器解决了这些问题(图7)。您可以对这些电路进行编程，使其具有足够的滞后以防止循环，并且使用具有足够精度的电阻，可以将阈值水平设置在±2%以内。(比较器的参考精度为±1%，因此1%电阻的总体精度约为±2%。)该电路将分压器偏置在1µA，这个偏置足够低，可以最大限度地减少电池损耗，但又足够高，可以避免由于比较器的最大输入偏置电流为±5 nA而导致的电平漂移。

附录

为什么锂?

锂电池已经存在多年，主要是小型“硬币”电池形式的初级(不可充电)类型。较大的原代电池被认为是有害物质，在美国没有广泛使用。锂是一种非常活泼的元素;这对电池有好处，但危险，因为它的反应性使其具有潜在的可燃性。

对于正常的运输，美国运输部将单个电池中的锂含量限制在1g。固体电解质锂电池(例如锂-碘和锂-二氧化锰类型)具有高内部阻抗，这限制了它们在起搏器和其他低电流长寿命应用中的使用。你可以以更高的速率放电液阴极锂电池，但这些类型通常仅限于存储和备用电池应用。

可充电(二次)锂电池出现在20世纪80年代。这些电池使用锂金属作为负极(阳极)和“插入”正极(阴极)。插层是指离子与正极材料结合的电化学反应。因为这个反应是可逆的(脱嵌)，所以电池可以再充电。

当可充电锂电池放电时，锂金属会向电解质释放离子，电解质要么是液体，要么是固体聚合物。这些锂离子迁移到阴极并与该材料形成离子键。这种电池的主要问题是树突:电池充电时形成的小指状锂金属。枝晶增加了金属的表面积，与电解质产生更强的反应性。因此，电池对滥用变得越来越敏感，因为树突的数量随着每次充放电循环而增加。

拆卸金属

为了克服电池中与锂金属相关的问题，研究人员尝试在阳极和阴极使用插入材料，生产出一种被称为锂离子电池的组件。不存在锂金属;相反，带正电荷的锂离子在充电时从阴极到阳极，在放电时从阳极回到阴极。在充放电循环过程中，这种来回的离子流动导致了“摇摆”和“摇椅”电池的表达。

嵌入电极的使用不仅消除了对锂金属的需求，而且简化了制造过程，因为制造商可以在零电位下制造电池。然后，制造商可以在组装后给电池充电，从而减少因短路而损坏的可能性。

第一个锂离子电池有一个碳阳极和一个LiCoO(2)阴极，由索尼能源技术公司制造。从那以后，其他制造商也开发了基于LiNiO(2)和LiMn(2)O(4)的阴极，但到目前为止，所有的阳极都使用碳。这个碳阳极在充电时储存电子和锂离子，在放电时释放它们。

这篇文章的类似版本出现在1996年12月5日的经济日报。