【導讀】雖(sui)然(ran)更(geng)高(gao)的(de)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)延(yan)長(chang)了(le)設(she)備(bei)的(de)使(shi)用(yong)時(shi)間(jian)，但(dan)如(ru)何(he)縮(suo)短(duan)充(chong)電(dian)時(shi)間(jian)

，這(zhe)給(gei)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)帶(dai)來(lai)了(le)額(e)外(wai)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)適(shi)用(yong)於(yu)廣(guang)泛(fan)的(de)設(she)備(bei)


，包(bao)括(kuo)消(xiao)費(fei)電(dian)子(zi)、醫療和工業應用。本文分為兩部分
，概要介紹與實現電池快速充電功能相關的挑戰。第1部分探討在主機和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高係統的靈活性、盡可能降低功耗，並提升用戶的總體體驗。此外，還介紹設備包含的監測功能，確保實現安全充電和放電。第2部分探討使用並聯電池實現快速充電係統。

簡介

在(zai)如(ru)今(jin)這(zhe)個(ge)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)當(dang)道(dao)的(de)時(shi)代(dai)，電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)是(shi)影(ying)響(xiang)用(yong)戶(hu)體(ti)驗(yan)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)之(zhi)一(yi)。在(zai)設(she)備(bei)內(nei)部(bu)集(ji)成(cheng)省(sheng)電(dian)技(ji)術(shu)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，但(dan)這(zhe)隻(zhi)是(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。隨(sui)著(zhe)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)的(de)功(gong)能(neng)不(bu)斷(duan)增(zeng)多(duo)，其(qi)對(dui)電(dian)力(li)的(de)要(yao)求(qiu)也(ye)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)，原(yuan)始(shi)設(she)備(bei)製(zhi)造(zao)商(shang)(OEM)也嚐試大幅提高電池容量

，以此延長電池的使用壽命。

例如，1S2P（1個電池串聯，2個電池並聯）這(zhe)類(lei)架(jia)構(gou)開(kai)始(shi)風(feng)行(xing)


，通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)兩(liang)個(ge)並(bing)聯(lian)電(dian)池(chi)來(lai)提(ti)高(gao)總(zong)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)。提(ti)高(gao)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)帶(dai)來(lai)的(de)問(wen)題(ti)就(jiu)是(shi)充(chong)電(dian)時(shi)間(jian)隨(sui)之(zhi)延(yan)長(chang)。為(wei)了(le)盡(jin)可(ke)能(neng)縮(suo)短(duan)充(chong)電(dian)時(shi)間(jian)，電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)不(bu)斷(duan)改(gai)善(shan)
，將(jiang)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)從(cong)2C增大到3C或6C（也就是說，xC是1小時內通過電池的額定電流的x倍）。例如，2000 mAh電池在不對電池可靠性產生不利影響的情況下
，會消耗最高12 A充電電流。

對(dui)於(yu)高(gao)電(dian)流(liu)需(xu)要(yao)特(te)別(bie)注(zhu)意(yi)
，確(que)保(bao)安(an)全(quan)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)。將(jiang)電(dian)池(chi)並(bing)聯(lian)使(shi)用(yong)時(shi)，開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)還(hai)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)電(dian)阻(zu)和(he)初(chu)始(shi)容(rong)量(liang)的(de)不(bu)匹(pi)配(pei)。在(zai)本(ben)係(xi)列(lie)文(wen)章(zhang)的(de)第(di)1部分
，我們概要介紹在所有類型的設備中提供電池快速充電功能時遇到的挑戰，包括消費電子、醫療和工業應用。

我們還將探討如何為高性能1S2P電池充電，如何在主機和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高係統的靈活性，盡可能降低功耗
，並改善整體用戶體驗。

充電器基礎知識
，以及為何電量計位置分區非常重要

電池充電係統的關鍵元件包括充電器本身
，以及報告電池指標的電量計，例如電池的充電狀態(SOC)、剩餘電量使用時間和電池充滿所需時間。電量計可以集成在主機端

，或者集成在電池包中（參見圖1）。

圖1.電池電量計可以集成在主機端，或集成在電池包中。

集成在電池包中時
，電量計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監測充電/放電電流
，保護電池免於遭受危險狀況。MAX17330是ADI公司提供的電池電量計，內置保護電路和電池充電器功能（參見圖2）。

圖2.包含充電MOSFET調節功能的電量計框圖。

圖3.高壓/高電流快速充電係統框圖。

充電MOSFET可以精細調節，以實現線性充電器，在充電電源限製為5 V
，充電電流在500 mA範圍內時

，該器件可以獨立使用。由於鋰電池在99%充電曲線中的充電電壓都超過3.6V，因此功耗受到限製。

在充電器前麵連接降壓轉換器來調節其輸出電壓

，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.使用降壓轉換器來調節輸出電壓，以高效實現10 A充電電流。圖中所示的是MAX20743降壓轉換器
，VIN = 12 V。

在zai電dian池chi包bao中zhong集ji成cheng電dian量liang計ji會hui使shi電dian池chi變bian得de智zhi能neng
，能neng夠gou用yong於yu先xian進jin充chong電dian場chang景jing，實shi現xian先xian進jin充chong電dian功gong能neng。例li如ru，電dian量liang計ji可ke在zai其qi非fei易yi失shi性xing存cun儲chu器qi中zhong存cun儲chu適shi合he電dian池chi包bao中zhong電dian池chi的de充chong電dian曲qu線xian參can數shu。因yin此ci無wu需xu通tong過guo主zhu機ji微wei控kong製zhi器qi單dan元yuan(MCU)充電。現在


，主機MCU僅需管理來自電池包的ALRT信號，根據收到的警報類型增大/降低降壓轉換器的輸出電壓。

CP：熱限製 → 降低電壓。

CT：MOSFET溫度限製 → 降低電壓。

壓差：→ 增大電壓。

CP是一種標誌
，當流經保護MOSFET的電流影響散熱性能時
，該標誌置位。CT是一種標誌，在MOSFET溫度過高時置位。熱限製和MOSFET限製設置使用nChgCfg1寄存器組進行配置。

可編程降壓轉換器（例如MAX20743）使用PMBus®來精細調節輸出電流。降壓轉換器中的集成式MOSFET支持高達10 A的充電電流。此外，由於PMBus使用I2C作為其物理層，可以使用單個I2C總線來管理降壓轉換器和電量計。

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

圖5.單個電池快速給3.6 V鋰電池充電。

可以看出
，降壓轉換器的輸出(VPCK)設置為高於電池電壓50 mV。該輸出電壓會持續增大
，以免造成壓差，且盡可能降低總功耗。

電池安全管理

由於快速充電期間的電流很高
，OEM必(bi)須(xu)要(yao)確(que)保(bao)安(an)全(quan)充(chong)電(dian)。因(yin)此(ci)
，作(zuo)為(wei)整(zheng)個(ge)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)，智(zhi)能(neng)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)器(qi)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)監(jian)測(ce)多(duo)個(ge)重(zhong)要(yao)參(can)數(shu)。例(li)如(ru)，在(zai)根(gen)據(ju)電(dian)池(chi)製(zhi)造(zao)商(shang)規(gui)格(ge)和(he)建(jian)議(yi)監(jian)測(ce)電(dian)池(chi)溫(wen)度(du)和(he)環(huan)境(jing)/室溫的情況下
，快速充電器可以確定何時降低充電電流和/或降低端電極電壓
，以確保電池安全，延長電池的使用壽命。

可以根據溫度調節電壓和電流，以符合六區JEITA溫度設置要求（參見圖6），且基於電池電壓進行三區步進充電。

圖6.6區JEITA溫度範圍。

使用步進充電曲線，根據電池電壓改變充電電流，可以進一步延長電池的使用壽命。圖7顯示使用3個充電電壓和3個相應的充電電流的步進充電曲線。可以通過狀態機來管理各級之間的轉換（參見圖7）。

圖7.步進充電曲線
，使用狀態機來管理各級之間的轉換。

注意，電流、電壓和溫度都是相互關聯的（參見表1和表2）。

並聯充電

多電池並聯充電需要額外管理。例如，當兩個電池的電壓相差超過400 mV時，充電器必須防止出現交叉充電。隻有當最低電池電量太低
，無法支持係統負載時，才容許在有限的時間裏進行交叉充電（參見表3和圖8）。

表1.充電電流，支持步進充電和JEITA

表2.充電電壓，支持步進充電和JEITA

表3.FET邏輯管理

在本係列文章的第2部分
，我們將探討使用評估套件和樹莓派板，使用並聯電池實現快速充電係統。

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

結論

將充電和電量計功能從主機端移動到電池包一端，可以單獨控製1S2P配置中的每個電池。因此不需要由主機MCU完全管理充電，而是智能充電器本身根據優化充電曲線來管理其輸出。由於主機端的管理隻是管理電量計生成的ALRT信號，所以係統能夠輕鬆采用不同的電池包。

必bi要yao時shi，智zhi能neng充chong電dian器qi還hai可ke以yi阻zu止zhi充chong電dian和he放fang電dian，以yi防fang出chu現xian交jiao叉cha充chong電dian。這zhe種zhong方fang法fa無wu需xu考kao慮lv電dian池chi不bu匹pi配pei問wen題ti
，提ti高gao了le典dian型xing快kuai速su充chong電dian係xi統tong的de靈ling活huo性xing。借jie助zhu快kuai速su電dian池chi充chong電dian技ji術shu
，除chu了le簡jian化hua設she計ji和he整zheng個ge充chong電dian流liu程cheng之zhi外wai
，OEM還可以充分降低功耗，確保廣泛應用的充電和放電安全，並改善用戶體驗。

關於ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力於在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬


、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展
，應對氣候變化挑戰
，並建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬餘人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關於作者

Franco Contadini擁有超過35年的電子行業從業經驗。在從事電路板和ASIC設計工作10年之後
，他成為現場應用工程師，為工業、電信和醫療客戶提供支持，主要負責電源和電池管理
、信號鏈
、加密係統和微控製器。Franco撰寫了多篇關於信號鏈和電源的應用筆記和技術文章。他在意大利熱那亞ITIS主修電子學。

Alessandro Leonardi是ADI米蘭分公司的客戶經理。他擁有米蘭理工大學的電子工程學士和碩士學位。畢業後，他參加了ADI公司的現場應用培訓生項目。

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