多年來，對高效、重量輕、快速充電、安全和高性價比便攜式電源的需求帶動了許多新電池技術的研發，包括鎳氫電池 （NiMH）、可充電堿性電池、鋰離子 （Li-ion） 電池和鋰聚合物 （Li-poly） 電池等，而這些僅是其中的幾種。 這些新的電池化學物質通常需要通過更復雜的充電和保護電路來最大限度地提升性能、確保安全。 令人欣慰的是，工程師們開發出了同樣先進的電池充電和保護用半導體器件。

本文將探討這些新興電池技術的優點及局限性。 同時，我們還將調查、報告由 Maxim Integrated、Linear Technology 和 Texas Instruments 等半導體制造商提供的全新鋰離子電池充電解決方案。

電池技術

最近幾年來，在便攜式電子設備領域涌現出多種全新可充電電池化學物質，它們已能挑戰長期受歡迎的鎳鎘電池 （NiCd） 技術，不過，后者能提供如電動工具等應用所需的短時大電流以及令人滿意的低阻抗特性，因此在這些應用領域會繼續受到青睞。

然而，如智能手機、平板電腦、數字攝像機等現代便攜式應用的設計人員都在尋求比 NiCd 擁有更大容量、更小放電速度的電池。 這些應用還要求電池能快速充電、重量輕。 滿足這些要求的電池技術有鎳氫電池 （NiMH）、鋰離子電池 （Li-ion） 和鋰聚合物電池 （Li-poly）。 盡管 NiMH 電池具有更大的容量和更快的充電速度，但其不足之處是自放電速度較快，是 NiCd 電池的兩倍并且一開始就相對較快（表 1）。

表 1：不同類型化學物質的電池關鍵參數（感謝 Maxim Integrated 提供數據）。

如 Maxim Integrated 的應用說明 AN676 1 所述，鋰離子電池和鋰聚合物電池擁有比 NiCd 和 NiMH 電池大得多的容量和低得很的放電速度，因此在便攜式產品中得以廣泛應用。 該應用說明還指出，鋰離子電池的重量也更輕。 因此，鋰離子電池的每單位重量內的容量幾乎是 NiMH 電池的兩倍多。

鋰離子電池當然也有局限性。 Maxim 指出，鋰離子電池極易受到過度充電和充電不足的影響。 電壓過高會造成永久性損壞，而重復放電至相當低的電壓又會使容量減小。 所以，為了保護電池，所用的充電解決方案必須能限制充放電期間的電池電流和電壓。

因此，鋰離子電池組通常配備某種形式的欠壓、過壓保護電路以及保險絲，以防出現過大電流。 Maxim 的工程師還建議，這類電池組還需配備一個開關，用于在高壓力造成電池組泄壓時打開電池的電路。

而且，與需要通過電流源充電的 NiCd 和 NiMH 電池不同，鋰離子電池必須采用電壓和電流源組合進行充電。 為達到最大充電狀態而又不會損壞電池，大多數鋰離子電池充電器會保持 1% 的輸出電壓容差。 通常不建議保持更精確的容差，因為這樣做不僅難度大，還將增大成本。 一般來講，即使稍稍增大容量也將會得不償失。

單芯鋰離子電池充電器

對于手機和其他類似設備而言，最佳的電池充電方法是采用獨立的充電座，您可把電池或者設備放入“鞍式”充電座中。 根據 Maxim 介紹，線性、單芯鋰離子或者鋰聚合物電池充電器適于在充電座中使用。 既然電池組或者充電裝置是獨立的，那么發熱就不會成為問題，因為這種熱量不會在設備中聚集。 這種情況下，線性調節器能降低在其線性區域內工作的通道晶體管上的壓差（DC 源和電池之間）。 由于充電器被限制在一個小空間內，因此建議利用氣流方式消除功率耗散產生的過熱情況。

Maxim 的線性單芯鋰離子電池充電器命名為 MAX846A。 該器件擁有精確度為 0.5% 基準值，能為對電壓準確性要求嚴格的鋰離子電池安全充電。 其中用于控制外部低成本 PNP 晶體管（或 P 溝道 MOSFET）的電壓和電流調節回路相互獨立。 如圖 1 所示，來自 Fairchild Semiconductor 的外部功率晶體管 FZT749 能將源電壓降低至電池電壓，并且電路中的大部分功率耗散由其產生。 這樣，便形成一個更加穩定的內部基準，從而提供更穩定的電池限壓。

圖 1：線性單芯鋰離子電池充電器 MAX846A 驅動一個外部功率晶體管 （Q1），該晶體管能把源電壓降低至電池電壓。

在該電路中，R1 和 R3 決定輸出電流。 R1 檢測充電電流，R3 設定電流調節水平。 ISET 端子的電流輸出值是 CS+ 和 CS- 之間電壓值的 1/1000。 電流穩壓器將 ISET 電壓控制在 2 V 水平。因此，電流限值 ［2，000/（R3 *R1）］ 為 1 A。如 Maxim 應用說明所述，電流和電壓限值的控制回路均具有獨立的補償點（CCV 和 CCI），簡化了這些限值的穩定過程。 ISET 和 VSET 端子可用于調節電流和電壓限值。

空間受限型應用領域的線性充電器供應商還包括 Texas Instruments。 TI 的高度集成式 bq24040 系列充電器 IC 專用于為單芯鋰離子電池和鋰聚合物電池充電。 該系列充電器能處理高輸入電壓范圍，可通過 USB 端口或者低成本 AC 適配器工作。 根據 TI 的介紹，bq2400x 系列的充電過程分為三個階段：調節、恒流和恒壓。 在整個充電期間，內部控制回路監視 IC 的結溫，當超過內部溫度閾值時就會減小充電電流。

Linear Technology 的獨立式鋰離子電池充電器 LTM8061 經過優化，同樣專用于單芯、兩芯鋰離子和鋰聚合物電池組充電，可提供 4.1 V、4.2 V、8.2 V 或 8.4 V 固定浮充電壓。該器件具有恒流和恒壓充電特性，最大充電電流可達 2 A。根據 μModule（微模塊）電池充電器的規格書，該器件是一個完整的系統級封裝 （SiP） 充電解決方案，它在一個小巧的表面貼裝式 LGA 封裝中集成了 DC/DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補償元件和電感器。 因此，基于 LTM8061 的單芯鋰離子電池充電器采用的外部元件最少（圖 2）。

圖 2：μModule 電池充電器 LTM8061 是一種用于單芯鋰離子電池的完整系統級封裝 （SiP） 充電解決方案。

Fairchild Semiconductor、Intersil 和 STMicroelectronics 等其他制造商也加入了這場為鋰離子電池和鋰聚合物電池提供高能效充電器集成 IC 的競賽。

為兩芯或者多芯電池充電

圖 3 所示為為兩個串聯的鋰離子電池充電的類似電路。 該電路采用了 Maxim 的 MAX745 器件，這是一個達到 90% 能效的開關模式鋰離子電池充電器。 MAX745 在單一芯片上集成了為鋰離子電池充電所需的全部功能，可提供高達 4 A 的可調節充電電流而不會發熱，并在電池端子上提供總誤差僅為 ±0.75% 的可調節電壓。 該器件采用低成本 1% 電阻器設定輸出電壓，以及低成本 N 溝道 MOSFET 作為功率開關。 電壓設定點和充電電流由兩個回路調節，且這兩個電路協調工作，以確保電壓和電流調節之間的平穩切換。 利用標準的 1% 電阻器將每芯電池電壓的調節限值設定在 4 V 和 4.4 V 之間。

圖 3：MAX745 是一款開關模式充電器，擁有向多個串聯鋰離子電池充電所需的全部功能。

Texas Instruments 和 Linear Technology 等供應商也提供向兩個串聯鋰離子電池充電的集成 IC。

盡管有多種單芯或者多芯鋰離子電池充電方案可以選擇，但在為這些應用選擇電池充電器 IC 前，設計人員首先必須檢驗以下幾方面的要求，如輸入電壓、充電電流、充電方法、保護能力、USB 兼容性、成本和其他關鍵特性。