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  一、充電器基礎(chǔ)知識

  電池充電系統(tǒng)的關(guān)鍵元件包括充電器本身，以及報(bào)告電池指標(biāo)的電量計(jì)，例如電池的充電狀態(tài)(SOC)、剩余電量使用時(shí)間和電池充滿所需時(shí)間。電量計(jì)可以集成在主機(jī)端，或者集成在電池包中(參見圖1)。

圖1. 電池電量計(jì)可以集成在主機(jī)端，或集成在電池包中

  集成在電池包中時(shí)，電量計(jì)需要使用非易失性存儲器來存儲電池信息。電源路徑中的MOSFET監(jiān)測充電/放電電流，保護(hù)電池免于遭受危險(xiǎn)狀況。MAX17330 是ADI公司提供的電池電量計(jì)，內(nèi)置保護(hù)電路和電池充電器功能(參見圖2)。

圖2. 包含充電MOSFET調(diào)節(jié)功能的電量計(jì)框圖

圖3. 高壓/高電流快速充電系統(tǒng)框圖

  充電MOSFET可以精細(xì)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)線性充電器，在充電電源限制為5 V，充電電流在500 mA范圍內(nèi)時(shí)，該器件可以獨(dú)立使用。由于鋰電池在99%充電曲線中的充電電壓都超過3.6V，因此功耗受到限制。

  在充電器前面連接降壓轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)其輸出電壓，這樣就可使用高壓充電電源和高充電電流(參見圖3)。同時(shí)還可以充分減少壓降，從而降低充電MOSFET的功耗(參見圖4)。

圖4. 使用降壓轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)輸出電壓，以高效實(shí)現(xiàn)10 A充電電流。圖中所示的是MAX20743降壓轉(zhuǎn)換器，VIN = 12 V

  在電池包中集成電量計(jì)會使電池變得智能，能夠用于先進(jìn)充電場景，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)充電功能。例如，電量計(jì)可在其非易失性存儲器中存儲適合電池包中電池的充電曲線參數(shù)。因此無需通過主機(jī)微控制器單元(MCU)充電?，F(xiàn)在，主機(jī)MCU僅需管理來自電池包的ALRT信號，根據(jù)收到的警報(bào)類型增大/降低降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

  CP: 熱限制 → 降低電壓。

  CT: MOSFET溫度限制 → 降低電壓。

  Dropout: →增大電壓。

  CP是一種標(biāo)志，當(dāng)流經(jīng)保護(hù)MOSFET的電流影響散熱性能時(shí)，該標(biāo)志置位。CT是一種標(biāo)志，在MOSFET溫度過高時(shí)置位。熱限制和MOSFET限制設(shè)置使用nChgCfg1寄存器組進(jìn)行配置。

  可編程降壓轉(zhuǎn)換器(例如 MAX20743 )使用PMBus®來精細(xì)調(diào)節(jié)輸出電流。降壓轉(zhuǎn)換器中的集成式MOSFET支持高達(dá)10 A的充電電流。此外，由于PMBus使用I2C作為其物理層，可以使用單個(gè)I2C總線來管理降壓轉(zhuǎn)換器和電量計(jì)。

  以下示例展示一種為單個(gè)3.6 V鋰電池充電的方式。圖5顯示充電系統(tǒng)中電壓和電流的時(shí)域形狀。具體來說，該圖顯示了電池電壓、電池電流和降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

圖5. 單個(gè)電池快速給3.6 V鋰電池充電

可以看出，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出(VPCK)設(shè)置為高于電池電壓50 mV。該輸出電壓會持續(xù)增大，以免造成壓差，且盡可能降低總功耗。

  二、電池安全管理

  由于快速充電期間的電流很高，OEM必須要確保安全充電。因此，作為整個(gè)電池管理的一部分，智能快速充電器必須能夠監(jiān)測多個(gè)重要參數(shù)。例如，在根據(jù)電池制造商規(guī)格和建議監(jiān)測電池溫度和環(huán)境/室溫的情況下，快速充電器可以確定何時(shí)降低充電電流和/或降低端電極電壓，以確保電池安全，延長電池的使用壽命。

  可以根據(jù)溫度調(diào)節(jié)電壓和電流，以符合六區(qū)JEITA溫度設(shè)置要求(參見圖6)，且基于電池電壓進(jìn)行三區(qū)步進(jìn)充電。

圖6. 6區(qū)JEITA溫度范圍

  使用步進(jìn)充電曲線，根據(jù)電池電壓改變充電電流，可以進(jìn)一步延長電池的使用壽命。圖7顯示使用3個(gè)充電電壓和3個(gè)相應(yīng)的充電電流的步進(jìn)充電曲線?？梢酝ㄟ^狀態(tài)機(jī)來管理各級之間的轉(zhuǎn)換(參見圖7)。

圖7. 步進(jìn)充電曲線，使用狀態(tài)機(jī)來管理各級之間的轉(zhuǎn)換

注意，電流、電壓和溫度都是相互關(guān)聯(lián)的(參見表1和表2)。

  三、并聯(lián)充電

  多電池并聯(lián)充電需要額外管理。例如，當(dāng)兩個(gè)電池的電壓相差超過400 mV時(shí)，充電器必須防止出現(xiàn)交叉充電。只有當(dāng)最低電池電量太低，無法支持系統(tǒng)負(fù)載時(shí)，才容許在有限的時(shí)間里進(jìn)行交叉充電(參見表3和圖8)。

表1. 充電電流，支持步進(jìn)充電和JEITA

表2. 充電電壓，支持步進(jìn)充電和JEITA

表3. FET邏輯管理

圖8. 為了防止交叉充電，當(dāng)電池ΔV >400 mV，會阻止電壓更高的電池放電

  結(jié)論

  將充電和電量計(jì)功能從主機(jī)端移動到電池包一端，可以單獨(dú)控制1S2P配置中的每個(gè)電池。因此不需要由主機(jī)MCU完全管理充電，而是智能充電器本身根據(jù)優(yōu)化充電曲線來管理其輸出。由于主機(jī)端的管理只是管理電量計(jì)生成的ALRT信號，所以系統(tǒng)能夠輕松采用不同的電池包。

  必要時(shí)，智能充電器還可以阻止充電和放電，以防出現(xiàn)交叉充電。這種方法無需考慮電池不匹配問題，提高了典型快速充電系統(tǒng)的靈活性。借助快速電池充電技術(shù)，除了簡化設(shè)計(jì)和整個(gè)充電流程之外，OEM還可以充分降低功耗，確保廣泛應(yīng)用的充電和放電安全，并改善用戶體驗(yàn)。