如何选择锂离子电池充电管理IC

约翰·B·古迪纳夫（John B. Goodenough）被认为是锂离子（Li-ion）电池之父，当他因其开创性的工作而于2019年获得诺贝尔化学奖时，他成为最年长的诺贝尔奖获得者。如今，锂离子电池被用于大多数消费者生活的各个方面，因为它们使电子设备轻巧耐用。例如，大多数手机依靠锂离子电池来获得更长的运行时间，便携性和方便的充电。 有效地为锂离子电池充电以最大限度地利用这一点非常重要。

如何为锂离子电池充电

首先，让我们分析一下锂离子电池的充电过程。充电过程可分为四个不同的阶段：涓流充电、预充电、恒流充电和恒压充电。图1显示了典型锂离子电池的充电曲线。

图 1：锂离子电池充电曲线

这似乎很简单，但在选择电池充电解决方案时需要考虑许多参数。图2显示了选择解决方案时的四个主要考虑因素。

图2：电池充电器设计 – 关键考虑因素

下面将进一步详细介绍这些注意事项：

拓扑学

电池充电器系统设计人员必须根据输入电压范围、电池配置、充电电流和其他系统级优先级来选择拓扑结构（见图3）。

图3： 电池充电器拓扑

例如，大多数便携式设备从USB端口充电。有两种主要的USB类型：
USB Type-A：通常为5V，最大电流为1.5A，此USB类型可支持高达12V的快速充电（以及其他标准）
USB Type-C：5V/3A最大值。如果支持USB-PD，则可以在5A时将其增加到20V
 如果设备通过USB端口充电，则必须始终支持5V工作电压。例如，对于串联电池（最大VBATT≥8.4V），请使用升压或降压-升压拓扑。如果设备不是从USB端口充电，建议使用降压拓扑，因为输入电压始终超过电池电压。

控制回路

电池管理IC的一个主要挑战是它们具有多个控制环路。他们不仅需要管理输入电压和电流，还必须管理系统的功率，电池充电电流和电压，电池温度和其他参数（见图4）。例如，系统通常必须根据电池温度调整电池充电电流。

图4：电池充电器IC中的各种控制环路

电源路径管理

电源路径管理控制环路根据输入源电流能力和系统负载电流要求动态调整电池充电电流。这可确保系统在使用超额电荷为电池充电时接收所需的电流。

图5： 电池充电器系统架构

根据电池充电器的功能，有三种典型的架构。 第一种架构将电池直接连接到系统电源，并要求电池电压达到最低系统电压才能工作。 第二种是直通方法，它使用外部开关来管理电池充电和系统路径。 第三种架构是NVDC电源路径管理，这是一种常见的方法，与前两种架构相比具有以下优点：
系统可以立即启动，即使电池电压较低
系统电压紧随电池电压，以降低系统组件的电压应力
当输入功率受限时，电池可以补充系统
系统可以与电池断开连接，以支持传输模式

图6显示了NVDC充电器充电曲线的运行情况。

图6：具有NVDC特征的锂离子充电曲线

当电池电压相对较低时，系统电压调节在最低工作点（图6中VSYS_REG_MIN）。当电池电压接近VSYS_REG_MIN时，电池和系统电压会相互密切跟踪。因此，无论电池的状态如何，系统电压始终保持在较窄的范围内。图7显示了实际范围图。

图7：典型充电曲线（工作条件：V在= 16V， V蝙蝠斜坡从 0V 开始，ICHG = 1.84A，I系统= 1A）

反向操作

上面讨论的电池充电器操作已使用输入源为电池充电或为系统供电。它还可以提供相反方向的操作，例如USB On-the-Go（OTG）功能。具有USB OTG功能的电池充电器允许设备的内部电池通过设备输入端口为设备供电。

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