鋰離子電池的全新電池充電解決方案

過去數年，高效率、輕巧、快速充電、安全且符合成本效益的可攜式電源需求逐漸升高，因此業界陸續開發多種新式電池技術，包括鎳金屬氫化物 (NiMH)、可充電式鹼性、鋰離子 (Li-ion)、和鋰聚合物 (Li-poly) 電池等。 一般來說，這些新的電池化學機制需要更精細的充電和保護電路，才能達到最大效能並確保安全性。 幸好，業界也同樣開發出先進的半導體元件，能對這些電池進行充電和保護。

本文將探索這些新式電池技術的效能和限制， 也將探討並介紹一些半導體供應商針對鋰離子電池所推出的新式充電解決方案，例如 Maxim Integrated, Linear Technology 和 Texas Instruments。

電池技術

在可攜式電子設備領域中，近幾年出現了一些嶄新的可充電式電池化學機制，足以和長久以來受到愛用的鎳鎘 (NiCd) 技術競爭。因為鎳鎘技術具有低阻抗的特性，可在短時間內達到高電流，因此 NiCd 技術依然在動力工具等應用中受到歡迎。

然而，智慧型手機、平板裝置與數位相機等現代可攜式應用的設計人員，目前皆追求比 NiCd 具有更高容量且更低放電率的電池。 此外，這些應用皆需要能快速充電且輕質的電池。 符合這些需求的電池技術包括鎳金屬氫化物 (NiMH)、鋰離子 (Li-ion) 和鋰聚合物 (Li-poly) 電池。 NiMH 電池具有更大容量和更快的充電速度，但卻具有 NiCd 兩倍高的自放電率，相對來說是較高的比率（表 1）。

表 1：不同化學類型的電池重要參數（資料來源：Maxim Integrated）

誠如 Maxim Integrated 的 AN676 應用說明所述¹，鋰離子和鋰聚合物電池在可攜式產品中受到歡迎，因其具有比 NiCd 和 NiMH 電池高出許多的容量和低許多的放電率。 此外，應用說明中也指出鋰離子電池的重量減輕許多。 因此，與 NiMH 相比，鋰離子電池的每單位質量能提供幾乎兩倍的容量。

然而，鋰離子電池亦具有幾項限制。 Maxim 指出鋰離子電池對於過度充電和充電不足非常敏感。 過壓會對電池導致永久損害，重複放電到超低電壓則會導致容量減少。 因此，為了保護電池，充電解決方案必須在放電和充電時限制電池的電流和電壓。

有鑑於此，鋰離子電池組通常含有一定的欠壓和過壓防護電路，並具有保險絲可預防暴露在過電流情況。 此外，Maxim 的工程師表示，此類電池組亦含有開關，能在高壓導致排放時將電池開路。

NiCd 和 NiMH 電池需要電流來源以便進行充電，但鋰離子電池的不同之處在於，必須用電流和電壓的來源組合進行充電。 為了達到最大充電效能但又不造成損害，多數鋰離子充電器會在輸出電壓上維持 1% 的容差。 通常不建議採用更嚴格的容差，否則會提高困難度並增加成本。 一般而言，只為了稍微增加容量並不值得增添更多麻煩。

單芯鋰離子充電器

對行動電話和其他類似裝置而言，偏好的電池充電方法包括採用稱為「充電座」的獨立單元，將裝置或電池組置於其中。 根據 Maxim 的資料，線性、單芯鋰離子或鋰聚合物充電器適合用於充電座。 由於電池組或充電器單元彼此獨立，而非整合在裝置內部，因此較不需擔憂其產生的熱能。 在此情況下，線性穩壓器會針對在線性區域內運作的開關電晶體，降低 DC 電源和電池之間的電壓差異。 由於充電器受限於小型空間，建議採用氣流散熱預防功率耗散導致過熱。

Maxim 的線性單芯鋰離子充電器的型號為 MAX846A。 此元件具有 0.5% 精準度的參考，因此能對需要嚴格電壓精準度的鋰離子電池芯進行安全充電。 用來控制低成本外部 PNP 電晶體（或 P 通道 MOSFET）的電壓和電流調節迴路彼此獨立。 如圖 1 所示，Fairchild Semiconductor 的外部功率電晶體 FZT749 會將電源電壓降低至電池電壓，並負責電路的多數功率耗散。 因此能達到更穩定的內部參考，產生更穩定的電池電壓限制。

圖 1：線性單芯鋰離子充電器 MAX846A 會驅動外部功率電晶體 (Q1)，將電源電壓降低至電池電壓。

在此電路中，R1 和 R3 會決定輸出電流。 R1 會感測充電電壓，R3 會設定電流調節位準。 ISET 端子的電流等於 CS+ 和 CS- 之間電壓的 1/1000。 穩流器會將 ISET 電壓控制在 2 A。因此，電流限制 [2,000/(R3 * R1)] 為 1 A。誠如 Maxim 的應用說明所述，電壓和電流限制的控制迴路具有個別的補償點（CCV 和 CCI），能將穩定限制的作業簡化。 ISET 和 VSET 端子能調整電流和電壓限制。

Texas Instruments 也是針對有限空間可攜式應用推出線性充電器的供應商之一。 TI 的高度整合 bp24040 系列充電器 IC，預計用於單芯鋰離子和鋰聚合物電池。 此系列充電器能處理高輸入電壓範圍，可由 USB 連接埠或低成本的 AC 配接器進行操作。 根據 TI 的資料，bp2404x 元件會以三個階段對電池進行充電：調節、恆定電流和恆定電壓。 在所有充電階段中，內部控制迴路皆會監測 IC 接面溫度，若超過內部溫度閾值，則會降低充電電流。

Linear Technology 也推出類似的獨立式鋰離子電池充電器 LTM8061，針對單芯和雙芯鋰離子和鋰聚合物電池組進行最佳化，並提供固定式浮動電壓選項，包括 4.1、4.2、8.2 和 8.4 V。提供恆定電流／恆定電壓充電特性，最大充電電流高達 2 A。微型模組 (µModule) 電池充電器的規格書指出，此產品屬於完整的系統級封裝 (SiP) 充電解決方案，在精巧的表面黏著式 LGA 封裝中整合 DC/DC 控制器、功率電晶體、輸入和輸出電容、補償元件以及電感。 因此，LTM8061 架構的單芯鋰離子充電器僅需使用最少數量的外接元件（圖 2）。

圖 2：µModule 電池充電器 LTM8061 是適合鋰離子單芯電池的完整系統級封裝 (SiP) 充電解決方案。

提供整合式充電器 IC，對鋰離子和鋰聚合物單芯電池組進行充電的其他供應商還包括 Fairchild Semiconductor、Intersil 以及 STMicroelectronics。

對兩個以上電池芯進行充電

能對兩個串聯鋰離子電池芯充電的類似電路如圖 3 所示。 此電路採用 Maxim 的 MAX745 切換模式鋰離子電池充電器，提供 90% 的效率。 MAX745 在晶片上整合所有必要功能，能對鋰離子電池組進行充電，提供高達 4 A 且不會過熱的調節充電電流，而且在電池端子僅有 ±0.75% 總誤差的調節電壓。 此元件採用低成本的 1% 電阻設定輸出電壓，並採用低成本的 N 通道 MOSFET 做為電源開關。 採用彼此合作的兩個迴路，在電壓和電流調節之間順暢切換，藉此達到電壓設定點和充電電流的調節。 各電池芯的電池電壓調節限制係由標準 1% 電阻設定在 4 和 4.4 V 之間。

圖 3：MAX745 是切換模式充電器，提供所有必要功能，能對串聯的多重鋰離子電池芯進行充電。

Texas Instruments 和 Linear Technology 等供應商提供整合式 IC，能對串聯的兩個鋰離子電池芯進行充電。

能對單芯或多芯鋰離子電池進行充電的元件選擇相當多，設計人員必須先檢視其需求，例如輸入電壓、充電電流、充電方法、防護能力、USB 規格、成本等重要項目，之後再選擇適合其應用的電池充電器 IC。

若要進一步瞭解此文章所述之零件，請使用提供的連結進入 DigiKey 網站的產品頁面。

參考資料

1. 應用說明 767，《電池充電器的嶄新開發項目》2011 年 11 月，Maxim Integrated