電池充電基礎知識 如何選擇恰當的充電器IC

電池充電基礎知識

鋰離子充電器IC是調節電池充電電流與電壓的設備，常用于便攜式設備，如手機、筆記本電腦和平板電腦等。與其他化學成分的電池相比，鋰離子電池是能量密度最高的電池之一，其單節電池提供的電壓更高，承受的電流也更大，而且在電池滿電時無需涓流充電。不過，鋰離子電池沒有記憶效應，這意味著它不會“記住”在電量完全耗盡之前剩余的電量。鋰離子電池必須采用特殊的恒流恒壓 (CC-CV) 充電曲線進行充電，充電曲線可根據電池溫度和電壓水平自動調整。

充電曲線

充電曲線是鋰離子電池的一項基本特性，它描述了電池充電時，電池的電壓和電流如何變化。為簡化起見，充電曲線可以通過一個坐標圖來表達，其X 軸表示時間，Y 軸表示電池電壓或電池電量。通過該曲線可以洞見電池的安全特性，并了解如何優化電池充電。MP2759A是MPS提供的一款高集成度開關充電器IC，專為 1 至 6 節串聯鋰離子或鋰聚合物電池應用而設計。圖 1 所示為 MP2759A 的充電曲線。

圖1: MP2759A的充電曲線 鋰離子電池遵循相對常見的充電曲線，下面將進行詳細的描述。需要注意，如果充電器 IC 提供可配置功能，設計人員將能夠為這些充電階段設置自己的閾值。由于大多數電池制造商只為不同的最大充電電流水平設定同一閾值，因此閾值可配置功能非常有用?？膳渲玫拈撝的軌蛱峁┮粚宇~外的安全保護，保護電池免受過壓、過熱條件以及過載的影響，從而避免電池的永久損壞或容量降級。

涓流充電：涓流充電階段通常只在電池電壓低于一個極低水平（約2.1V）時采用。在這種狀態下，電池組的內部保護 IC 可能由于深度放電或發生過流事件已經斷開了電池。充電器 IC 提供一個小電流（通常為 50mA）為電池組的電容充電，以觸發保護 IC ，合上其 FET重新連接電池。雖然涓流充電通常只持續幾秒鐘，但充電器 IC 仍然需要集成一個定時器。如果電池組在一定時間內未重新連接，則定時器停止充電，因為這表明電池已損壞。

預充電：一旦電池組重新連接或處于放電狀態，就進入預充電階段。預充電期間，充電器IC開始以一個較低的電流水平為耗盡的電池安全充電，該電流通常為 C / 10（C 為容量，以 mAh 為單位）。預充電使電池電壓緩慢上升。其目的是在低電流水平下對電池進行安全的充電，以防止損壞電池，直到其電壓達到一個較高的水平。

恒流（CC）充電: 恒流（CC）充電也被稱作快速充電階段，下文將對其進行詳細介紹。恒流充電在預充電之后開始，一旦電池電壓達到每節3V 左右即開始恒流充電。在恒流充電階段，電池可以安全地處理 0.5C 至3C 之間的較高充電電流。恒流充電會持續到電池電壓達到“滿電”或浮動電壓水平，然后進入恒壓充電階段。

恒壓（CV）充電: 鋰電池的恒壓（CV）閾值通常為每節4.1V至4.5V。充電器 IC 會在恒流充電期間監測電池電壓。一旦電池達到恒壓充電閾值，充電器IC就會從恒流轉換至恒壓調節階段。當充電器 IC 監測到外部電池組電壓超過了電池組中的實際電池電壓，就開始執行恒壓充電。這是由于存在內部電池電阻、PCB 電阻和來自保護 FET 和單電池的等效串聯電阻 (ESR)。充電器 IC 不應允許電池電壓超過其最大浮動電壓，以保證安全的運行。

充電截止: 當恒壓充電階段，當流入電池的電流降至設定閾值（約為 C / 10）以下時，充電器 IC即終止充電周期。此時，電池被認為已充滿電，充電完成。如果充電器 IC 的充電截止功能被禁用，充電電流會自然衰減至 0mA，但實際中很少這樣做。因為在恒壓充電期間，進入電池的電荷量呈指數級下降（因為電池電壓的增大就如同一個大電容器），在容量增加極少的情況下，為電池充電需要非常長的時間。

任一時刻的實際充電電流都可能低于設置值，其原因包括各種環路調節，例如輸入電流限制、輸入電壓限制、散熱調節或電池溫度。有關電池安全的更多信息，請參閱下文中的安全部分。

快速充電

談到快速充電，最關鍵是根據電池制造商的規格確定電池可以處理的電流。舉例來說，電池的“C 率”指定了電池充放電的最大電流。標準C 率通常在 0.5C 到3C 之間，具體取決于所用的具體電池，通常需要在較高C 率和較低能量密度之間進行權衡。例如，一塊 3000mAh 的電池，C 率為 1C，意味著電池能夠以最大 3A 的電流充電。通常，電池制造商還會為 C 率指定不同的電壓和溫度范圍，在電壓較低或溫度較高/較低的條件下，C率會降低。

如果一塊電池具有較高的 C率，那它就可以處理更多的電流，也就可以更快地充電。例如，相比無線揚聲器，較高 C 率的電池對智能手機和筆記本電腦等便攜式設備來說更加有用，因為這些便攜式設備可能需要每天至少充電一次。通常對運行時間較短且需要持續使用的設備來說，快充肯定是首選。了解電池的 C 率可以幫助設計人員確定如何優化其解決方案，使他們能夠選擇最適合其電池的充電器IC拓撲結構和安全功能。

恒流 (CC) 充電階段（也稱為快充階段）通常取決于電池的電壓閾值。MP2731更是獨樹一幟，將其快充階段定義為電池電壓超過預充電閾值且小于其恒壓充電閾值的時間間隔。在第一個快充階段，電池 FET 以快充電流為電池充電。一旦電池電壓超過新閾值，則認為電池 FET 完全導通。

如何選擇恰當的充電器IC

在選擇合適的電池充電器IC系統時，最重要的考量參數包括：電池組中串聯的電池數量、輸入電壓 (VIN) 范圍、充電電流和系統電源路徑管理。這些參數決定了充電電路（開關或線性）所需的電源轉換類型，以及為系統電壓軌供電所需的附加功能，例如窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理。這些因素直接決定充電器IC拓撲的選擇。簡而言之，充電器IC拓撲由以下基本參數確定：

對5V輸入、充電電流小于或等于500mA的單節電池組而言，線性充電器IC較適合。單節電池組的最大電壓通常在 4.2V 到 4.5V 之間。需要注意，根據系統設計和散熱性能的不同，線性充電器IC的最大電流可能高于或低于預期值。

如果充電電流超過500mA，建議使用開關充電器IC。這種充電器IC也常用于電壓大于或等于 5V 的 USB 應用。根據 VIN 和最大電池電壓(VBATT)，通常有三種開關充電器IC拓撲可選。如果 VIN 低于最大 VBATT，選擇升壓充電器IC；如果 VIN 大于或等于 VBATT，選擇降壓充電器IC；如果 VIN大于、小于或等于 VBATT，則選擇升降壓充電器IC。下文將對這些拓撲給出更詳細地描述。

電池組電池配置

就電池配置而言，根據電池組內物理串聯放置的電池數量，以及充電器IC的輸出電壓 (VOUT)范圍，電池充電器IC分為單節或多節電池充電器IC兩種類型。

單電池具有較低的功率輸出和較小尺寸，通常最大放電電流在 1C 到 3C 之間（例如 1Ah = 1A ～3A）。這意味著單電池充電器IC通常適用于較小的移動設備，例如手機、手表和耳機。而多個堆疊的電池則可以提供較大功率，通常用于需要更多功率的大型系統，例如筆記本電腦、揚聲器、移動電源和無人機。不過，電池組內并聯的電池數量通常不會影響充電器 IC 的選擇，因為并聯不影響電壓。

輸入電壓 (VIN)范圍

消費電子產品大多通過 USB 端口供電，該端口至少也要支持 5V電壓。隨著 USB 標準逐步演變為支持 USB 供電 (PD)的新型 USB Type-C 連接器，最大允許電壓也增至20V。根據 USB PD 規范的擴展功率范圍 (EPR) ，該電壓還將進一步上升至 48V。從充電系統設計的角度來看，充電器 IC支持的VIN范圍和功率必須在充電的同時為下游電源軌供電。如果系統所需的總功率低于 15W，則可以使用 5V 標準 USB Type-C；如果總功率超過 15W，使用USB 連接器時還必須采用具有更高 VIN和 USB PD 的解決方案。

對 USB 應用來說，充電器 IC 必須向后兼容 5V電壓。采用多于1 個電池串聯的電池組會增加充電器IC的成本和復雜性，因為其拓撲必須支持寬輸入電壓范圍（例如升降壓拓撲）。如果采用非 USB 連接器（即筒形插孔連接器），系統設計人員通?？梢宰杂蛇x擇VIN，而無需考慮對其他電壓電平的支持。對設計而言，這樣更簡單、性價比更高，但對最終用戶來說，可能帶來不便，因為他將不得不需要一個只能兼容一個產品的特殊壁式充電器。

充電電流

設計人員還需要考量充電電流及其對充電器IC拓撲選擇的影響。如果充電電流小于或等于 500mA，使用線性充電器可以降低成本和尺寸。但對更高電流，則建議使用開關充電器，因為可以降低功耗并提高效率；不過，與線性充電器相比，開關充電器需要一個電感，因而會占用額外的電路板空間。

舉例來說，通過1A、5V USB 輸入充電，不建議使用線性充電器。如果使用線性充電器，在快充階段開始，電池電壓為 3V 時，充電器IC有2V的壓降，會導致2W 的功耗產生。線性充電器僅適用于充電電流較低的小型電池，而開關充電器則適合處理更高的充電電流。

系統電源路徑管理 (PPM)

電源路徑管理 (PPM) 功能可以根據輸入源電流能力和系統負載的電流要求對電池充電電流進行調整。它幫助系統微控制器 (MCU) 或片上系統 (SoC)獲得足夠的電力，同時還能夠利用多余電流為電池充電。常見的電源路徑管理選項如下文所述。

沒有電源路徑管理的簡單充電器IC（電池直接供電）

沒有電源路徑管理的簡單充電器IC，其電池直接連接至系統，充電器IC只有一個輸出，即電池。在這種情況下，必須先將電池充電至最低系統電壓，然后產品才能開機。如果電池已經深度放電，則可能還需要額外的充電時間，對于在充電時可以使用的產品應用中，用戶體驗將欠佳。對于沒有電源路徑管理的簡單充電器而言，其優勢在于簡單和較低的BOM 成本。

MP26029即為一款具有溫度調節功能的單節鋰離子/鋰聚合物電池充電器 IC（參見圖 2）。其片上充電 MOSFET 作為全功能線性充電器IC工作，具有預充電、恒流 (CC) 充電、恒壓 (CV) 充電、充電截止和自動再充功能。內部偏置電路由 IN 或 BATT 引腳中較高的電壓供電。MP26029 還提供一個 ISET 引腳來啟用或禁用充電，同時提供一個狀態指示引腳，以報告器件正在充電、充電完成或充電暫停等狀態。

圖 2：具有5V 輸入的 MP26029 典型應用電路

OR選項電源路徑管理（旁路模式）

對于OR選項電源路徑管理（也稱為旁路模式或直通法），由外部開關管理電池充電和系統路徑。這種方法優化了儲能容量，并能在電池故障時提供保護功能。OR選項電源路徑管理遵循兩個基本原則：

VIN存在時，VIN直接連接至系統

沒有VIN時，VBATT直接連接至系統

采用OR選項，電源路徑管理系統必須能夠承受 VIN。同時，系統電壓(VSYS) 不會被調節。另外，在這種拓撲中，由于兩個電源軌是分開的，電池不能通過額外的電流來補充系統電源。但采用窄電壓直流（NVDC） 電源路徑架構可以緩解此問題，具體詳述如下。 MP2759是一款具有 OR選項的電源路徑管理的鋰離子/鋰聚合物電池充電器IC，適用于1 至 6 節的串聯電池，并支持具有不同電池調節電壓的多種電池化學類型。MP2759 采用 QFN-19 (3mmx3mm) 封裝，能夠根據電池的電壓和電流在四個充電階段之間切換，包括涓流充電、預充電、恒流充電和恒壓充電。在電池耗盡時，該器件可以通過“或”選擇電源路徑為系統供電，同時提供保護功能，如使用 JEITA 配置文件提供電池溫度監測，以及電池過壓保護 (OVP)。 MP2759的外部 P 溝道電池 MOSFET 支持OR選項電源路徑管理。其電池 FET 的柵極由 IN 引腳信號驅動。沒有輸入源時，電池 FET 將電池連接到系統；接入輸入源時，電池 FET 關端，輸入源通過不同的 MOSFET (Q1) 為系統供電。此外，輸入電流限制功能可以通過降低充電電流來防止輸入源過載（參見圖 3）。

圖3: OR選項電源路徑管理

窄電壓直流（NVDC）電源路徑管理

窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理是一種常見的方法，它具備的多種優勢如下所述：

即使電池電壓很低，系統也可以即時開機

系統電壓追蹤電池電壓，從而可降低充電產生的熱量；而且由于無需承受外部 VIN，因而支持較低電壓的系統設計

輸入電量不足時，電池可補充系統

系統可以與電池完全斷開，以適應運輸模式、過流保護 (OCP) 或欠壓保護 (UVP) 等情況

具備NVDC，充電器IC可以提供兩個獨立的輸出（分別來自系統與電池），從而允許充電器IC將系統電壓調節至高于電池電壓。NVDC 還提供運輸模式選項。在運輸模式下，當沒有 VIN時，可以禁用位于電池和系統節點之間的內部電池 FET，從而將電池與系統輸出完全斷開。該功能有效消除了產品未售出時產生的系統電流消耗，從而延長了電池使用時間。 MP2733是一款高度集成的開關模式電池充電器IC，適用于單節鋰離子和鋰聚合物電池應用。該器件提供 NVDC 電源路徑管理，非常適合平板電腦、無線攝像頭、智能手機和便攜式設備。NVDC功能可以分別控制系統和電池，并在啟動時給予系統優先權，當電池缺失或深度放電時，系統也能啟動。如果輸入電源在電池耗盡的情況下也可用，則系統電壓將被調節至其可調最小值(VSYS_REG_MIN)。NVDC 架構由前端降壓 DC/DC 變換器和置于 SYS 和 BATT 引腳之間的電池 FET 提供支持。圖 4 顯示了MP2733的 NVDC 結構。

圖4: NVDC電源路徑管理架構 NVDC 架構通過以下方式調節電壓：

如果VBATT 降至 VSYS_MIN 以下，系統電壓將調節至 VSYS_REG_MIN。同時，電池 FET 工作于線性模式，根據 VBATT為電池充電。另外，VSYS_MIN 可通過 I2C 接口設置。

如果 VBATT 超過 VSYS_MIN + VBATT_GRD（約 60mV），則電池 FET 完全導通。電池之間的壓差即為電池 FET 的 VDS，充電電流環路由變換器的 PWM 控制實現。

如果充電暫?；蛲瓿?，系統電壓將被調節至最大值（見圖 5）。

除了上述特性以外，MP2733 的 NVDC 架構還支持運輸模式。

圖5:VSYS 隨 VBATT 的變化曲線

充電器IC拓撲結構

充電器IC拓撲主要有兩種類型：線性充電器IC和開關充電器IC，后者可進一步分為升壓、降壓和升降壓充電器IC（參見圖 6）。下面將詳細介紹這些拓撲結構。

圖6: 充電器IC拓撲結構

線性充電器IC

線性充電器IC通常體積小、簡單而且性價比高。這類充電器IC由于沒有開關所以噪聲較低；但受封裝尺寸的限制，較高的充電電流會產生較高功耗。因此，線性充電器因其小體積而非常適合便攜式物聯網 (IoT) 設備，如健身器材配件、智能手表和藍牙耳機等。

開關充電器IC

在中、大電流下，開關充電器IC比線性充電器IC更高效，并且在寬輸入電壓 (VIN) 范圍內具有更高的適應性。不過，開關充電器IC還需要一個電感器和更多的電容器，這會增加成本、復雜性并占用更多的 PCB 空間。對具有較大電池的應用，或需要更高效率以實現快充功能的應用，建議選擇開關充電器IC。這類充電器IC是高密度系統的理想之選，例如智能手機、平板電腦、筆記本電腦、移動電源和揚聲器。開關充電器IC主要有三種不同類型：降壓（buck/step-down）、升壓（boost/step-up）和升降壓（buck-boost），升降壓充電器IC可以將輸出調節至高于或低于輸入電壓。在選擇開關充電器IC時，需要考慮以下兩個問題：

VIN范圍是多少？（例如，它是用于 5V USB 應用還是 USB PD 應用）

電池組電壓范圍是多少？（這取決于電池組中串聯的電池數量）

一旦確定了這些問題，就可以輕松確定開關充電器IC拓撲。通常，開關充電器IC用于充電電流高于 500mA 的應用。

開關充電器IC的具體類型（降壓、升壓和升降壓）詳述如下。

降壓充電器IC

降壓充電器IC適用于最小輸入電壓始終超過最大電池電壓 (VBATT)的應用，例如單電池 5V USB。即使所需的最大充電功率超過 5V USB Type-C 提供的 15W（例如大多數智能手機），也仍然可以使用降壓充電器IC，只要它能夠處理 USB PD 支持的更高 VIN 工作電壓和功率。

升壓充電器IC

升壓充電器IC適用于 VIN 低于最大 VBATT 的應用，如帶2 節電池的 5V USB。這種類型的充電器IC僅適用于功率要求小于或等于15W 的應用，如需更高功率，則需要采用升降壓充電器IC。將升壓充電器IC用于功率需求較低的多節電池應用，可以避免采用 USB PD 控制器等額外組件，從而節省成本。

升降壓充電器IC

采用升降壓拓撲的充電器IC允許 VBATT高于、低于或等于器件的VIN，這意味著電池可以通過任何電源電壓持續充電，直至達到其目標電壓。這樣，快充在更加廣泛的條件下成為可能，盡管它確實需要更大的充電器 IC 封裝尺寸。通常，如果接入輸入電源，升降壓充電器IC可以工作于三種工作模式：升壓模式、降壓模式和升降壓模式。升壓模式下的VIN 低于VBATT，降壓模式下的VIN 高于 VBATT，而升降壓模式下的VIN 與 VBATT幾乎相等。升降壓充電器IC能夠在整個 PD 電壓范圍內提供高功率，同時還向后兼容 5V 傳統 USB。這類充電器IC最常用于多節電池串聯的 USB PD 應用，例如筆記本電腦、智能手機和移動電源。

USB ON-THE-GO (OTG) 或稱放電（Source）模式

USB On-The-Go (OTG)也稱為 USB Type-C 放電模式，它并不是 USB 的新功能，但在引入 USB Type-C 連接器之前并不常見。USB OTG 允許來自便攜式電池供電設備的雙向供電，這使設備（例如移動電源）能夠為其他連接的其他設備或配件充電。之前，舊的micro-USB 規范需要采用特殊的電纜才能實現OTG功能，這增加了成本并降低了產品的互操作性（例如，支持 OTG 的電纜可能不能為其他設備充電）。USB Type-C 標準發布之后，USB OTG 成為一種廣受歡迎的功能，因為無需增加更多成本，使用相同的電纜和連接器即可實現?，F在，許多采用電感拓撲的開關充電器 IC 都支持 USB OTG 操作。該功能在許多常用產品中隨處可見，例如筆記本電腦、智能手機和移動電源。

要支持 USB OTG，產品需要具備以下條件：

充電器 IC 必須支持雙向操作，并至少提供5V電壓 。

充電器 IC 必須具有限流功能，以保護連接的電流接收設備不會吸收過多的電流。

產品必須具備一個 USB CC 控制器，可以將其角色從電力消耗者改為電源提供者，它能夠檢測連接的接收設備，并在 CC 引腳上公布能夠提供的額定電流。

MP2722是一款高效降壓充電器IC，它集成了 USB Type-C 放電模式和雙角色電源 (DRP) 模式所需的功能。該器件的集成 CC 控制器提供僅接收（sink-only）模式、僅放電（source-only）模式和雙角色電源 (DRP)模式。這些模式可以通過I2C接口手動設置，也可以自動選擇。MP2722完全兼容包含DRP 功能的 USB Type-C 1.3標準，并提供 Try.SNK 和 Try.SRC 模式支持。 在sink-only模式下，器件可以通過輸入電源接收電力。此時器件僅用作充電器，并在IN 引腳接入輸入電源時為電池充電。 在source-only模式下，器件可以通過電池為 IN 引腳供電。這種模式對于想要為外部設備供電的應用十分有用。 在 DRP 模式下，DRP 端口可以充當接收器或者電源，而且可以根據已連接的端口類型自動進行模式切換。無論 DRP 端口工作于何種模式，主機都可以強制器件打開和關閉。

安全性

除了確定理想的電池充電器IC拓撲以外，設計人員還必須考慮器件的安全特性，以及這些特性與整體解決方案的關系。常見的安全功能可監測并提供以下保護：

輸入、電池和系統欠壓和過壓保護

輸入、電池和系統過流保護

電池充電電流和電壓曲線

IC 溫度和電池溫度（包括遵循 JEITA 標準）

充電/放電時間限制（通過充電安全定時器實現）

MCU 和充電器IC軟件（通過監控器定時器實現）

要實現電池充電器 IC 的安全功能，通常需要規定工作范圍（例如電流和/或電壓），同時設置充電或器件操作的上下閾值。 例如，如果預期工作輸入電壓 VIN為 5V，則充電器 IC 可以設置 3V的輸入欠壓保護 (UVP) 閾值和 6V的輸入過壓保護 (OVP) 閾值。當VIN超出這些閾值，IC 會禁用輸入電源。充電器 IC 還可以提供約 4.5V的可配置VIN調節環路，以防止從輸入電源中汲取過多的功率。在這種情況下，充電器 IC 只需從輸入中汲取所需的功率；當VIN降至其閾值以下時，汲取的功率也降低。當調節環路與欠壓鎖定 (UVLO) 和過壓鎖定 (OVLO) 保護相結合時，充電器 IC 能夠在器件接入電源并可用時，以安全的方式最大化輸入功率。 監控器（WATCHDOG）定時器

可配置充電器 IC 中，監控器（俗稱看門狗）定時器的主要目的是在系統微控制器 (MCU) 死機或停止響應的情況下，安全地處理實例。如果 MCU 開始工作不正?；蛲耆Ｖ惯\行，寫入充電器 IC的值就可能不正確，這會影響充電期間的電池安全性。

一旦啟用，監控器定時器就將運行一段可配置的時長。當充電器 IC 讀到來自 MCU 的 I2C 事務，就像看門狗被主人撫摸了一下，監控器定時器被復位。在正常操作期間，定時器會持續被“撫摸（pet）”，直至定時到期結束。如果允許在沒有讀到I2C事務時定時器到期，則監控器定時器會觸發一次“吠叫（bark）”。一旦發生“吠叫”，充電器IC會向 MCU 發送中斷，然后啟動二級定時器。如果在二級定時器到期之前仍然沒有 I2C 事務，則觸發“咬（bite）”。在這種情況下，所有充電器 IC 的寄存器都被重置為其默認值，并且為安全起見禁用充電。在一些帶NVDC 電源路徑管理的充電器IC設計中，監控器定時器的“咬（bite）”可以強制切換電池 FET，以切斷充電器 IC 和 MCU 之間的電源，然后重啟 MCU。

電池溫度監測和 JEITA標準

充電器 IC 的一項關鍵安全要求是能夠在充電期間監測電池的溫度，并在溫度超出指定范圍時控制充電電流和（或）電壓。在最簡單的實現中，充電器 IC 提供兩個比較器，其熱閾值和冷閾值與電池組內的一個或多個負溫度系數 (NTC) 電阻器上的比例電壓相關。當電池組的溫度超過熱閾值或低于冷閾值時，充電將被禁用。

在更高級的實現中，充電器 IC 可以實現5個或更多基于JEITA電池標準的溫度窗口。JEITA（日本電子和信息技術產業協會）審查并確認用于技術報告的標準，該組織的電池標準在整個行業中被廣泛使用。在許多設計實現中，充電器 IC 不僅應支持每個溫度閾值可配置，還應實現每個閾值的可配置響應，例如降低充電電流或最大電池充電電壓，或完全禁用充電。這種可配置性至關重要，因為大多數電池組制造商僅為各種電池類型和溫度范圍指定了唯一的充電電流和電壓要求。

來源：MPS芯源系統

審核編輯：湯梓紅