电池充电基本原理和电路选择

一路上

电池充电基础知识

锂离子充电器IC是调节电池充电电流与电压的设备，常用于便携式设备，如手机、笔记本电脑和平板电脑等。与其他化学成分的电池相比，锂离子电池是能量密度最高的电池之一，其单节电池提供的电压更高，承受的电流也更大，而且在电池满电时无需涓流充电。不过，锂离子电池没有记忆效应，这意味着它不会“记住”在电量完全耗尽之前剩余的电量。锂离子电池必须采用特殊的恒流恒压 (CC-CV) 充电曲线进行充电，充电曲线可根据电池温度和电压水平自动调整。

充电曲线

充电曲线是锂离子电池的一项基本特性，它描述了电池充电时，电池的电压和电流如何变化。 为简化起见，充电曲线可以通过一个坐标图来表达，其X 轴表示时间，Y 轴表示电池电压或电池电量。通过该曲线可以洞见电池的安全特性，并了解如何优化电池充电。图1 所示充电曲线。

图1: 充电曲线

锂离子电池遵循相对常见的充电曲线，下面将进行详细的描述。需要注意，如果充电器 IC 提供可配置功能，设计人员将能够为这些充电阶段设置自己的阈值。由于大多数电池制造商只为不同的最大充电电流水平设定同一阈值，因此阈值可配置功能非常有用。可配置的阈值能够提供一层额外的安全保护，保护电池免受过压、过热条件以及过载的影响，从而避免电池的永久损坏或容量降级。

涓流充电：涓流充电阶段通常只在电池电压低于一个极低水平（约2.1V）时采用。在这种状态下，电池组的内部保护 IC 可能由于深度放电或发生过流事件已经断开了电池。充电器 IC 提供一个小电流（通常为 50mA）为电池组的电容充电，以触发保护 IC ，合上其 FET重新连接电池。虽然涓流充电通常只持续几秒钟，但充电器 IC 仍然需要集成一个定时器。如果电池组在一定时间内未重新连接，则定时器停止充电，因为这表明电池已损坏。

预充电：一旦电池组重新连接或处于放电状态，就进入预充电阶段。预充电期间，充电器IC开始以一个较低的电流水平为耗尽的电池安全充电，该电流通常为 C / 10（C 为容量，以 mAh 为单位）。预充电使电池电压缓慢上升。其目的是在低电流水平下对电池进行安全的充电，以防止损坏电池，直到其电压达到一个较高的水平。

恒流（CC）充电: 恒流（CC）充电也被称作快速充电阶段，下文将对其进行详细介绍。恒流充电在预充电之后开始，一旦电池电压达到每节3V 左右即开始恒流充电。在恒流充电阶段，电池可以安全地处理 0.5C 至3C 之间的较高充电电流。恒流充电会持续到电池电压达到“满电”或浮动电压水平，然后进入恒压充电阶段。

恒压（CV）充电: 锂电池的恒压（CV）阈值通常为每节4.1V至4.5V。充电器 IC 会在恒流充电期间监测电池电压。一旦电池达到恒压充电阈值，充电器IC就会从恒流转换至恒压调节阶段。当充电器 IC 监测到外部电池组电压超过了电池组中的实际电池电压，就开始执行恒压充电。这是由于存在内部电池电阻、PCB 电阻和来自保护 FET 和单电池的等效串联电阻 (ESR)。充电器 IC 不应允许电池电压超过其最大浮动电压，以保证安全的运行。

充电截止: 当恒压充电阶段，当流入电池的电流降至设定阈值（约为 C / 10）以下时，充电器 IC即终止充电周期。此时，电池被认为已充满电，充电完成。如果充电器 IC 的充电截止功能被禁用，充电电流会自然衰减至 0mA，但实际中很少这样做。因为在恒压充电期间，进入电池的电荷量呈指数级下降（因为电池电压的增大就如同一个大电容器），在容量增加极少的情况下，为电池充电需要非常长的时间。

任一时刻的实际充电电流都可能低于设置值，其原因包括各种环路调节，例如输入电流限制、输入电压限制、散热调节或电池温度。有关电池安全的更多信息，请参阅下文中的安全部分。

快速充电

谈到快速充电，最关键是根据电池制造商的规格确定电池可以处理的电流。举例来说，电池的“C 率”指定了电池充放电的最大电流。标准C 率通常在 0.5C 到3C 之间，具体取决于所用的具体电池，通常需要在较高C 率和较低能量密度之间进行权衡。例如，一块 3000mAh 的电池，C 率为 1C，意味着电池能够以最大 3A 的电流充电。通常，电池制造商还会为 C 率指定不同的电压和温度范围，在电压较低或温度较高/较低的条件下，C率会降低。

如果一块电池具有较高的 C率，那它就可以处理更多的电流，也就可以更快地充电。例如，相比无线扬声器，较高 C 率的电池对智能手机和笔记本电脑等便携式设备来说更加有用，因为这些便携式设备可能需要每天至少充电一次。通常对运行时间较短且需要持续使用的设备来说，快充肯定是首选。了解电池的 C 率可以帮助设计人员确定如何优化其解决方案，使他们能够选择最适合其电池的充电器IC拓扑结构和安全功能。

恒流 (CC) 充电阶段（也称为快充阶段）通常取决于电池的电压阈值。将其快充阶段定义为电池电压超过预充电阈值且小于其恒压充电阈值的时间间隔。在第一个快充阶段，电池 FET 以快充电流为电池充电。一旦电池电压超过新阈值，则认为电池 FET 完全导通。

如何选择恰当的充电器IC

在选择合适的电池充电器IC系统时，最重要的考量参数包括：电池组中串联的电池数量、输入电压 (VIN) 范围、充电电流和系统电源路径管理。这些参数决定了充电电路（开关或线性）所需的电源转换类型，以及为系统电压轨供电所需的附加功能，例如窄电压直流 (NVDC) 电源路径管理。这些因素直接决定充电器IC拓扑的选择。简而言之，充电器IC拓扑由以下基本参数确定：

1.对5V输入、充电电流小于或等于500mA的单节电池组而言，线性充电器IC较适合。单节电池组的最大电压通常在 4.2V 到 4.5V 之间。需要注意，根据系统设计和散热性能的不同，线性充电器IC的最大电流可能高于或低于预期值。

2.如果充电电流超过500mA，建议使用开关充电器IC。这种充电器IC也常用于电压大于或等于 5V 的 USB 应用。根据 VIN 和最大电池电压(VBATT)，通常有三种开关充电器IC拓扑可选。如果 VIN 低于最大 VBATT，选择升压充电器IC；如果 VIN 大于或等于 VBATT，选择降压充电器IC；如果 VIN大于、小于或等于 VBATT，则选择升降压充电器IC。下文将对这些拓扑给出更详细地描述。

电池组电池配置

就电池配置而言，根据电池组内物理串联放置的电池数量，以及充电器IC的输出电压 (VOUT)范围，电池充电器IC分为单节或多节电池充电器IC两种类型。

单电池具有较低的功率输出和较小尺寸，通常最大放电电流在 1C 到 3C 之间（例如 1Ah = 1A ～3A）。这意味着单电池充电器IC通常适用于较小的移动设备，例如手机、手表和耳机。而多个堆叠的电池则可以提供较大功率，通常用于需要更多功率的大型系统，例如笔记本电脑、扬声器、移动电源和无人机。不过，电池组内并联的电池数量通常不会影响充电器 IC 的选择，因为并联不影响电压。

输入电压 (VIN)范围

消费电子产品大多通过 USB 端口供电，该端口至少也要支持 5V电压。随着 USB 标准逐步演变为支持 USB 供电 (PD)的新型 USB Type-C 连接器，最大允许电压也增至20V。根据 USB PD 规范的扩展功率范围 (EPR) ，该电压还将进一步上升至 48V。从充电系统设计的角度来看，充电器 IC支持的VIN范围和功率必须在充电的同时为下游电源轨供电。如果系统所需的总功率低于 15W，则可以使用 5V 标准 USB Type-C；如果总功率超过 15W，使用USB 连接器时还必须采用具有更高 VIN和 USB PD 的解决方案。

对 USB 应用来说，充电器 IC 必须向后兼容 5V电压。采用多于1 个电池串联的电池组会增加充电器IC的成本和复杂性，因为其拓扑必须支持宽输入电压范围（例如升降压拓扑）。如果采用非 USB 连接器（即筒形插孔连接器），系统设计人员通常可以自由选择VIN，而无需考虑对其他电压电平的支持。对设计而言，这样更简单、性价比更高，但对最终用户来说，可能带来不便，因为他将不得不需要一个只能兼容一个产品的特殊壁式充电器。

充电电流

设计人员还需要考量充电电流及其对充电器IC拓扑选择的影响。如果充电电流小于或等于 500mA，使用线性充电器可以降低成本和尺寸。但对更高电流，则建议使用开关充电器，因为可以降低功耗并提高效率；不过，与线性充电器相比，开关充电器需要一个电感，因而会占用额外的电路板空间。

举例来说，通过1A、5V USB 输入充电，不建议使用线性充电器。如果使用线性充电器，在快充阶段开始，电池电压为 3V 时，充电器IC有2V的压降，会导致2W 的功耗产生。线性充电器仅适用于充电电流较低的小型电池，而开关充电器则适合处理更高的充电电流。

系统电源路径管理 (PPM)

电源路径管理 (PPM) 功能可以根据输入源电流能力和系统负载的电流要求对电池充电电流进行调整。它帮助系统微控制器 (MCU) 或片上系统 (SoC)获得足够的电力，同时还能够利用多余电流为电池充电。常见的电源路径管理选项如下文所述。

没有电源路径管理的简单充电器IC（电池直接供电）

没有电源路径管理的简单充电器IC，其电池直接连接至系统，充电器IC只有一个输出，即电池。在这种情况下，必须先将电池充电至最低系统电压，然后产品才能开机。如果电池已经深度放电，则可能还需要额外的充电时间，对于在充电时可以使用的产品应用中，用户体验将欠佳。对于没有电源路径管理的简单充电器而言，其优势在于简单和较低的BOM 成本。

OR选项电源路径管理（旁路模式）

对于OR选项电源路径管理（也称为旁路模式或直通法），由外部开关管理电池充电和系统路径。这种方法优化了储能容量，并能在电池故障时提供保护功能。OR选项电源路径管理遵循两个基本原则：
VIN存在时，VIN直接连接至系统
没有VIN时，VBATT直接连接至系统

采用OR选项，电源路径管理系统必须能够承受 VIN。同时，系统电压(VSYS) 不会被调节。另外，在这种拓扑中，由于两个电源轨是分开的，电池不能通过额外的电流来补充系统电源。但采用窄电压直流（NVDC） 电源路径架构可以缓解此问题。

图2: OR选项电源路径管理

窄电压直流（NVDC）电源路径管理

窄电压直流 (NVDC) 电源路径管理是一种常见的方法，它具备的多种优势如下所述：

• 即使电池电压很低，系统也可以即时开机
• 系统电压追踪电池电压，从而可降低充电产生的热量；而且由于无需承受外部 VIN，因而支持较低电压的系统设计
• 输入电量不足时，电池可补充系统
  

系统可以与电池完全断开，以适应运输模式、过流保护 (OCP) 或欠压保护 (UVP) 等情况
具备NVDC，充电器IC可以提供两个独立的输出（分别来自系统与电池），从而允许充电器IC将系统电压调节至高于电池电压。NVDC 还提供运输模式选项。在运输模式下，当没有 VIN时，可以禁用位于电池和系统节点之间的内部电池 FET，从而将电池与系统输出完全断开。该功能有效消除了产品未售出时产生的系统电流消耗，从而延长了电池使用时间。

图3: NVDC电源路径管理架构

NVDC 架构通过以下方式调节电压：

1.如果 VBATT 降至 VSYS_MIN 以下，系统电压将调节至 VSYS_REG_MIN。同时，电池 FET 工作于线性模式，根据 VBATT为电池充电。另外，VSYS_MIN 可通过 I2C 接口设置。

2.如果 VBATT 超过 VSYS_MIN + VBATT_GRD（约 60mV），则电池 FET 完全导通。 电池之间的压差即为电池 FET 的 VDS，充电电流环路由变换器的 PWM 控制实现。

3.如果充电暂停或完成，系统电压将被调节至最大值（见图4）。

除了上述特性以外，NVDC 架构还支持运输模式。

图4:VSYS 随 VBATT 的变化曲线

充电器IC拓扑结构

充电器IC拓扑主要有两种类型：线性充电器IC和开关充电器IC，后者可进一步分为升压、降压和升降压充电器IC（参见图 6）。 下面将详细介绍这些拓扑结构。

图5: 充电器IC拓扑结构

线性充电器IC

线性充电器IC通常体积小、简单而且性价比高。这类充电器IC由于没有开关所以噪声较低；但受封装尺寸的限制，较高的充电电流会产生较高功耗。因此，线性充电器因其小体积而非常适合便携式物联网 (IoT) 设备，如健身器材配件、智能手表和蓝牙耳机等。

开关充电器IC

在中、大电流下，开关充电器IC比线性充电器IC更高效，并且在宽输入电压 (VIN) 范围内具有更高的适应性。不过，开关充电器IC还需要一个电感器和更多的电容器，这会增加成本、复杂性并占用更多的 PCB 空间。 对具有较大电池的应用，或需要更高效率以实现快充功能的应用，建议选择开关充电器IC。这类充电器IC是高密度系统的理想之选，例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、移动电源和扬声器。开关充电器IC主要有三种不同类型：降压（buck/step-down）、升压（boost/step-up）和升降压（buck-boost），升降压充电器IC可以将输出调节至高于或低于输入电压。在选择开关充电器IC时，需要考虑以下两个问题：

1.VIN范围是多少？（例如，它是用于 5V USB 应用还是 USB PD 应用）

2.电池组电压范围是多少？（这取决于电池组中串联的电池数量）

一旦确定了这些问题，就可以轻松确定开关充电器IC拓扑。通常，开关充电器IC用于充电电流高于 500mA 的应用。

开关充电器IC的具体类型（降压、升压和升降压）详述如下。

降压充电器IC

降压充电器IC适用于最小输入电压始终超过最大电池电压 (VBATT)的应用，例如单电池 5V USB。即使所需的最大充电功率超过 5V USB Type-C 提供的 15W（例如大多数智能手机），也仍然可以使用降压充电器IC，只要它能够处理 USB PD 支持的更高 VIN 工作电压和功率。

升压充电器IC

升压充电器IC适用于 VIN 低于最大 VBATT 的应用，如带2 节电池的 5V USB。这种类型的充电器IC仅适用于功率要求小于或等于15W 的应用，如需更高功率，则需要采用升降压充电器IC。将升压充电器IC用于功率需求较低的多节电池应用，可以避免采用 USB PD 控制器等额外组件，从而节省成本。

升降压充电器IC

采用升降压拓扑的充电器IC允许 VBATT高于、低于或等于器件的 VIN，这意味着电池可以通过任何电源电压持续充电，直至达到其目标电压。这样，快充在更加广泛的条件下成为可能，尽管它确实需要更大的充电器 IC 封装尺寸。通常，如果接入输入电源，升降压充电器IC可以工作于三种工作模式：升压模式、降压模式和升降压模式。升压模式下的VIN 低于VBATT，降压模式下的VIN 高于 VBATT，而升降压模式下的VIN 与 VBATT几乎相等。升降压充电器IC能够在整个 PD 电压范围内提供高功率，同时还向后兼容 5V 传统 USB。这类充电器IC最常用于多节电池串联的 USB PD 应用，例如笔记本电脑、智能手机和移动电源。

USB ON-THE-GO (OTG) 或称放电（Source）模式

USB On-The-Go (OTG)也称为 USB Type-C 放电模式，它并不是 USB 的新功能，但在引入 USB Type-C 连接器之前并不常见。USB OTG 允许来自便携式电池供电设备的双向供电，这使设备（例如移动电源）能够为其他连接的其他设备或配件充电。之前，旧的micro-USB 规范需要采用特殊的电缆才能实现OTG功能，这增加了成本并降低了产品的互操作性（例如，支持 OTG 的电缆可能不能为其他设备充电）。USB Type-C 标准发布之后，USB OTG 成为一种广受欢迎的功能，因为无需增加更多成本，使用相同的电缆和连接器即可实现。现在，许多采用电感拓扑的开关充电器 IC 都支持 USB OTG 操作。该功能在许多常用产品中随处可见，例如笔记本电脑、智能手机和移动电源。

要支持 USB OTG，产品需要具备以下条件：

1.充电器 IC 必须支持双向操作，并至少提供5V电压 。
2.充电器 IC 必须具有限流功能，以保护连接的电流接收设备不会吸收过多的电流。
3.产品必须具备一个 USB CC 控制器，可以将其角色从电力消耗者改为电源提供者，它能够检测连接的接收设备，并在 CC 引脚上公布能够提供的额定电流。

在sink-only模式下，器件可以通过输入电源接收电力。此时器件仅用作充电器，并在IN 引脚接入输入电源时为电池充电。 在source-only模式下，器件可以通过电池为 IN 引脚供电。这种模式对于想要为外部设备供电的应用十分有用。

在 DRP 模式下，DRP 端口可以充当接收器或者电源，而且可以根据已连接的端口类型自动进行模式切换。无论 DRP 端口工作于何种模式，主机都可以强制器件打开和关闭。

安全性

• 除了确定理想的电池充电器IC拓扑以外，设计人员还必须考虑器件的安全特性，以及这些特性与整体解决方案的关系。常见的安全功能可监测并提供以下保护：
• 输入、电池和系统欠压和过压保护
• 输入、电池和系统过流保护
• 电池充电电流和电压曲线
• IC 温度和电池温度（包括遵循 JEITA 标准）
• 充电/放电时间限制（通过充电安全定时器实现）
• MCU 和充电器IC软件（通过监控器定时器实现）
  

要实现电池充电器 IC 的安全功能，通常需要规定工作范围（例如电流和/或电压），同时设置充电或器件操作的上下阈值。

例如，如果预期工作输入电压 VIN为 5V，则充电器 IC 可以设置 3V的输入欠压保护 (UVP) 阈值和 6V的输入过压保护 (OVP) 阈值。当VIN超出这些阈值，IC 会禁用输入电源。充电器 IC 还可以提供约 4.5V的可配置VIN调节环路，以防止从输入电源中汲取过多的功率。在这种情况下，充电器 IC 只需从输入中汲取所需的功率；当VIN降至其阈值以下时，汲取的功率也降低。当调节环路与欠压锁定 (UVLO) 和过压锁定 (OVLO) 保护相结合时，充电器 IC 能够在器件接入电源并可用时，以安全的方式最大化输入功率。

监控器（WATCHDOG）定时器

可配置充电器 IC 中，监控器（俗称看门狗）定时器的主要目的是在系统微控制器 (MCU) 死机或停止响应的情况下，安全地处理实例。如果 MCU 开始工作不正常或完全停止运行，写入充电器 IC的值就可能不正确，这会影响充电期间的电池安全性。

一旦启用，监控器定时器就将运行一段可配置的时长。当充电器 IC 读到来自 MCU 的 I2C 事务，就像看门狗被主人抚摸了一下，监控器定时器被复位。在正常操作期间，定时器会持续被“抚摸（pet）”，直至定时到期结束。如果允许在没有读到I2C事务时定时器到期，则监控器定时器会触发一次“吠叫（bark）”。 一旦发生“吠叫”，充电器IC会向 MCU 发送中断，然后启动二级定时器。如果在二级定时器到期之前仍然没有 I2C 事务，则触发“咬（bite）”。在这种情况下，所有充电器 IC 的寄存器都被重置为其默认值，并且为安全起见禁用充电。在一些带NVDC 电源路径管理的充电器IC设计中，监控器定时器的“咬（bite）”可以强制切换电池 FET，以切断充电器 IC 和 MCU 之间的电源，然后重启 MCU。

电池温度监测和JEITA标准

充电器 IC 的一项关键安全要求是能够在充电期间监测电池的温度，并在温度超出指定范围时控制充电电流和（或）电压。在最简单的实现中，充电器 IC 提供两个比较器，其热阈值和冷阈值与电池组内的一个或多个负温度系数 (NTC) 电阻器上的比例电压相关。当电池组的温度超过热阈值或低于冷阈值时，充电将被禁用。

在更高级的实现中，充电器 IC 可以实现5个或更多基于JEITA电池标准的温度窗口。JEITA（日本电子和信息技术产业协会）审查并确认用于技术报告的标准，该组织的电池标准在整个行业中被广泛使用。在许多设计实现中，充电器 IC 不仅应支持每个温度阈值可配置，还应实现每个阈值的可配置响应，例如降低充电电流或最大电池充电电压，或完全禁用充电。这种可配置性至关重要，因为大多数电池组制造商仅为各种电池类型和温度范围指定了唯一的充电电流和电压要求。

结论

选择电池充电器 IC 需要考量多种因素，例如充电曲线、充电器IC拓扑（例如开关或线性充电器IC）、电源路径管理结构、电池配置和安全特性（例如监控器定时器和 JEITA 温度监测）。了解这些参数如何影响系统和电池规格，就能够做出最佳选择。