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便携式电子设备中电池技术的正确选择和应用

作者:admin    来源:未知    发布时间:2022-01-13 09:32    浏览量:
现在的便携式电子设备中电池技能包含电量检测算法、电池充电算法与电池充电技能等几个方面。众所周知,充电式电池化学反应有镍镉、镍氢、锂离子和锂聚合物4种程式,作为便携式电子设备来说,虽然这4种电池程式各有特色,但从能量密度与安全性视点的开展与实践可知,锂离子电池锂聚合物电池的优势己成为小型长运转时刻的设备的抱负之选,比方笔记本电脑以及基于硬盘的pMp等。对便携式电子设备工程师来说,正确挑选与运用好便携式电子设备中电池技能至关重要,值此本文将对此作研讨,并作运用举例剖析。

1、有关细流充电、快速充电和稳定充电的电池充电算法
依据最终运用的能量需求,一个电池组或许包含最多4个锂离子或锂聚合物电池芯,其装备可有多种改变,一起带有一个干流的电源适配器:直接的适配器、USB接口或轿车充电器。除掉电芯数量、电芯的装备或电源适配器类型上的不同,这些电池组都有相同的充电特性。因而它们的充电算法也相同。锂离子与锂聚合物电池最好的充电算法能够分为3个阶段:细流充电、快速充电和稳定充电。

1.1细流充电
用于对深度放电的电芯进行充电。当电芯电压在低于大约2.8V时,用一个稳定的0.1C的电流为它充电。

1.2快速充电
电芯电压超越细流充电的门槛时,提高充电电流进行快速充电。快速充电电流应低于1.0C。

1.3稳定电压
在快速充电过程中,一旦电芯电压到达4.2V,稳定电压阶段就开端了。这时可经过最小充电电流或准时器或这两者的联合来中止充电。当最小电流低于大约0.07C时,可中止充电。准时器则要靠一个预设的准时器来触发中止。
高级的电池充电器一般带有附加的安全功用。比方,假设电芯温度超出给定窗口,一般是0℃--45℃,充电就会暂停。
除掉某些十分低端的设备,现在市面上的锂离子/锂聚合物电池充电办法都集成或是带有外置的元件,以便依照充电特性进行充电,这不光是为了取得更佳充电效果,一起也是为了安全。

1.4锂离子/聚合物电池的充电算运用举例-双输入1.2A锂离子电池充电器LTC4097
LTC4097可用于沟通适配器或USB电源为单节锂离子/聚合物电池充电。图1为双输入1.2A锂离子电池充电器LTC4097示意图。它选用稳定电流/稳定电压算法充电,从沟通适配器电源充电时,可编程充电电流高达1.2A,而用USB电源则可高达1A,一起主动检测在每个输入端是否存在电压。该器材还供给USB限流。运用包含pDA、Mp3播放器、数码相机、轻型便携式医疗和测试设备以及大彩屏蜂窝电话。其性能特色:无需外部微操控器终止充电;输入电源主动检测和挑选;经过电阻从沟通适配器输入充电的可编程充电电流高达1.2A;经过电阻的可编程USB充电电流高达1A;100%或20%USB充电电流设置;输入电源存在输出和NTC偏置(VNTC)引脚具120mA驱动能力;NTC热敏电阻输入(NTC)引脚用于温度合格的充电;预设置电池浮动电压具±0.6%的准确度;热调理最大极限地提高充电速率且无过热风LTC4097可用于沟通适配器或USB电源为单节锂离子/聚合物电池充电。其选用稳定电流/稳定电压算法充电,从沟通适配器电源充电时,可编程充电电流高达1.2A,而用USB电源则可高达1A,一起主动检测在每个输入端是否存在电压。该器材还供给USB限流。运用包含pDA、Mp3播放器、数码相机、轻型便携式医疗和测试设备以及大彩屏蜂窝电话。

2、锂离子/聚合物电池充电办法
锂离子/聚合物电池的充电办法关于不同数量的电芯、电芯装备以及电源类型仍是不同的。现在重要有3种重要的充电办法:线性,Buck(降压)开关和SEpIC(升压与降压)开关。

2.1线性办法
当充电器输入电压大于全充溢电芯加上足够净空之后的开路电压时,最好用线性办法,特别是1.0C快速充电电流不比1A大太多时。比方,Mp3播放器一般只有一个电芯,容量从700到1500mAh不等,满充开路电压是4.2V。Mp3播放机的电源一般是AC/DC适配器或者是USB接口,其输出是规矩的5V;这时,线性办法的充电器便是最简略、最有功率的办法。图2所示为锂离子/聚合物电池充电办法线性办法,基本结构和线性电压规整器相同。

线性办法的充电器运用例举-双输入Li+充电器及智能电源挑选器MAX8677AMAX8677A是双输入USB/AC适配器线性充电器,内置SmartpowerSelector,用于由可充电单节Li+电池供电的便携式设备。该充电器集成了电池和外部电源充电和切换负载所需的全部功率开关,因而无需外部MOSFET。MAX8677A抱负用于便携式设备,例如智能手机、pDA、便携式多媒体播放器、GpS导航设备、数码相机、以及数码摄像机。

MAX8677A能够作业于独立的USB和AC适配器电源输入下或两个输入中的恣意一个输入下。当衔接外部电源时,智能电源挑选器答应体系不衔接电池或能够与深度放电电池衔接。智能电源挑选器主动将电池切换到体系负载,运用体系未运用的输入电源部分为电池充电,充分运用有限的USB和适配器输入电源。一切要的电流检测电路,包含集成的功率开关,均集成于片上。DC输入电流限最高可调理至2A,而DC和USB输入均可支撑100mA、500mA和USB挂起形式。充电电流可调理至高达1.5A,从而支撑宽规模的电池容性。MAX8677A的其他特性包含热调理、过压维护、充电状况和毛病输出、电源好监督、电池热敏电阻监督、以及充电准时器。MAX8677A选用节约空间的、热增强型、4mm×4mm、24引脚的TQFN封装,规定作业于扩展级温度规模(-40~+85℃)。

2.2Buck(降压)开关办法

当1.0C充电的电流大于1A,或者输入电压比电芯的全充溢开路电压高许多时,Buck或者降压办法便是一个更好的挑选。比方,在基于硬盘的pMp中,一般运用单芯锂离子电池,全充溢开路电压是4.2V,容量从1200到2400mAh不等。而现在pMp一般是用轿车套件来充电,它的输出电压在9V到16V之间。在输入电压和电池电压之间比较高的电压差(最小4.8V)会让线性办法下降功率。这种低功率,加上大于1.2A的1C快速充电电流,会呈现严峻的散热问题。为避免这种状况,就要选用Buck办法。图3为锂离子/聚合物电池Buck充电器办法示意图,基本结构同Buck(降压)开关电压调理器完全相同。

2.3SEpIC(升压与降压)开关办法

在某些运用3个乃至4个锂离子/聚合物电芯串联的设备中,充电器的输入电压就不总是大于电池电压。比方,笔记本电脑运用3芯锂离子电池组,满充开路电压是12.6V(4.2Vx3),容量从1800mAh到3600mAh。输入电源要么是输出电压16V的AC/DC适配器,要么是轿车套件,输出电压在9V到16V之间。很显然地,线性和Buck办法都不能为这组电池组充电。这就要用上SEpIC办法,它能在输出电压高于电池电压时作业,也能在输出电压低于电池时作业。

3、电量检测算法
许多可携式产品都运用电压丈量值来估量电池剩馀电量,可是电池电压与剩馀电量的关系却会随著放电率、温度和电池老化程度而改变,使这种办法的差错率最高可达50%。商场对运用时刻更长的产品需求不断增强,因而体系规划人员要更加准确的解决办法。运用电量检测计吧来丈量电池充人或耗费的电量,将能够在很宽的运用电源级别规模内供给更准确的电池电量估测。

3.1电量检测算法运用举例之一,功用完好的单/双电池便携式运用电池组规划

3.11电量检测原理

较好的电量检测计至少要具有电池电压、电池组温度和电流、丈量办法;一个微处理9a;和一套及业相关经验证的电量检测算法。bq2650x及bq27x00是功用完好的电量检测计,具有一个丈量电压与温度的模数转换器(ADC)和一个丈量电流与充电感测的模数转换器。这些电量检测计还具有一个微处理器,负责执行德州仪器的电量检测算法。这些演算法会补偿锂离子电池的自放电、老化、温度和放电率等要素。晶片内含微处理器为主机体系处理器省下这些核算担负。电量检测计能够供给剩下电量状况等信息,bq27x00系列产品还供给剩下可运转时刻(RunTImetoEmpty)主机可随时向电量检测计查询这些信息,再透过LED指示灯或屏幕显示将电池信息告诉用户。电量检测计的运用十分便利,体系处理器仅要装备12C或HDQ通信驱动器即可。

3.12电池组电路描述

图4(a)为可选用具有判定功用IC的典型的电池组运用电路。依据所运用电量检测计IC的不同,电池组至少要有三到四个外部终端。

VCC及BAT引脚会连到电池电压,以便供电及丈量电池电压。电池接地端衔接了一个电阻值较小的检测电阻器,让电量检测计的高阻抗SRp及SRN输入端能够监控感测电阻两头的电压。经过流经检测电阻器的电流可用来判断电池充入或释放的电量。规划人员挑选检测电阻值时有必要考虑电阻两头的电压不能超越100mV,过低的电阻值或许会在电流较小时呈现差错。电路板布局有必要保证从SRp及SRN到检测电阻器的衔接要尽或许靠近感测电阻端;换言之,它们应该是选用Kelvin连线。

HDQ引脚要外部上拉电阻器,该电阻应位于主机或主运用端,这样电量检测计才能在电池组与便携式设备衔接断开时启用睡眠功用。主张上拉电阻值选用10kΩ。

3.13电池组判定

价格低廉的伪冒电池的问题日益严峻,这些电池或许不包含OEM厂商要求的安全维护电路。所以,真品电池组可包含图4(a)所示的判定电路。当要判定电池时,主机向含有IC(bq26150,用处是循环冗余校验(CRC))的电池组发出一个问询值(challenge),电池组所含的CRC会依据这个问询值和,IC中内建的CRC多项式核算这个CRC值。CRC是基于主机的查询指令与IC中隐秘意义的CRC多项式完结的,主机也会进行CRC值核算井与电池组的核算结果比较以确认判定是否成功。

一旦电池经过判定,bq26150则会发出指令以保证主机与电量检测计之间的资料线路通讯正常。当电池衔接中止或重新衔接时,整个判定过程将重复一次。

3.14双电池运用

图4(b)为运用bq26500支撑双体锂离子电池的典型运用电路。为了支撑多颗电池,此电路新增一个可调稳压器。电量检测计的BAT引脚与最下面一节电池的负极相连,以完结可变电池组电压的丈量。

主机要能够读懂电量检测计丈量的可变电池组电压,以确认放电完毕阈值以及充电终止阈值。至於电量剩下状况(RemainingStateofCapacity)等,则不要解读就能直接运用。

上述bq2650x及bq27x00等电量检测计供给电池制作商一个简略易用的挑选办法,该办法L[仅仅丈量电池电压要准确许多,这些电量检测计可用於各种电池架构,并可支撑电池判定及双电池运用。

3.2电量检测算法运用举例之二,能适用于各种通用电量计的新式IC。

当今不少制作厂商可供给种类丰厚的电量计IC,用户可从中选取适宜的功用器材,以优化产品的性价比。运用电量计贮丈量的电池参数,这种分离式架构答运用户在主机内定制电量计量算法.从而省去电池组内嵌处理器的本钱。值此以Dallasesemicconductor公司名为例的DS2762芯片作典型剖析。一新式分离式电量计IC,其结构见图5(a)所示。

DS2762运用特色DS2762是一款单节锂离子电池电量计与维护电路,集成于一片微小的2.46mm×2.74mm倒装片封装。由于内部集成了用于电量检测的高精密电阻,该款器材十分节约空间。它所具有的小尺寸和无与伦比的高集成度,关于移动电话电池组及其它类似的手持产品,如pDA等,都十分抱负。集成的维护电路持续地监督电池的过压、欠压和过流毛病(充电或放电期间)。不同于独立的维护IC,DS2762答应主处理器监督/操控维护FET的导通状况,这样,能够经过DS2762的维护电路实现体系电源操控。DS2762也能够充电一个已深度耗费的电池,当电池电压缺乏3V时,供给一条限制电流的恢复充电途径。图5(b)为由DS2762芯片构成所的完好的锂离子电池组规划

DS2762能够准确监督电池电流、电压和温度,其动态规模与分辨率满足任何通行的移动通信产品的测试规范。测得的电流对内部呈现的时基进行积分,实现电量计量。经过实时、持续的主动失调纠正,电量计量的精度得以提高。内置的检测电阻消除了因制作工艺和温度而造成的电阻改变,进一步提高了电量计的精度。重要数据保存于32字节、可加锁的EEpROM;16字节的SRAM用于保存动态数据。与DS2762的一切通信均经过1-Wire、多节点通信接口进行,最大极限减少了电池组与主机的连线。其重要特色为;单节锂离子电池维护器;高精度电流(电量计量)、电压和温度丈量;可选的集成25mΩ检测电阻,每个DS2762经过独自微调;0V电池恢复充电;32字节可加锁EEpROM,16字节SRAM,64位ROM;1-Wire,多节点,数字通信接口;支撑多电池组电源办理,并经过维护FET实现体系电源操控;休眠形式下电源电流仅2μA(最大);作业形式下电源电流为90μA(最大);2.46mm×2.74mm倒装片封装或16引脚下SSOp封装,两者均可挑选带或不带检测电阻;复具有备有评估板。

4、定论
运用好便携式电子设备的电池技能是挑选锂离子电池和锂聚合物电池及其充电器的基础。至于怎么正确挑选,还有必要视便携式电子设备的具体要求而定。

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