怎樣使可充電電池具有更長的使用壽命？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-23 20:27
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與過去便攜式電子產(chǎn)品主要采用一次性干電池或堿性電池作為電源不同，如今不論是筆記本電腦、手機還是MP3/MP4播放器，都基本使用鋰離子、鎳鎘或者鎳氫等可充電電池，不僅降低使用成本有利于環(huán)境保護，更重要的是電池容量可以做得更大，以獲得更長的續(xù)航時間?？沙潆婋姵赜捎诒旧淼奶匦砸步o系統(tǒng)開發(fā)商提出了新的要求，為了使可充電電池具有更長的使用壽命，正確的充電電路設(shè)計與器件選擇至關(guān)重要，無論是外接的充電器還是系統(tǒng)內(nèi)部充電電源管理方案都需要根據(jù)具體使用情況詳加考慮。
單芯片充電管理方案或?qū)⒊蔀橹髁?nbsp;
在便攜式產(chǎn)品中，電池充電通?？刹捎脙煞N方式，一種是利用系統(tǒng)本身主控MCU加一個脈寬調(diào)制解調(diào)單元(PWM)來實現(xiàn)，另一種是使用高集成度單芯片充電管理IC。“單芯片充電管理IC最大的優(yōu)勢在于擁有更高的可靠性，而MCU+PWM方案則更為便宜簡單。”富士通微電子市場部經(jīng)理王韻在接受本刊記者采訪時解釋道，“系統(tǒng)制造商可以在成本、可靠性等方面比較兩種方案的優(yōu)劣，選用最合適的方案即可。從長遠(yuǎn)來說，隨著單芯片充電管理IC的成本下降以及和外部通訊功能的增加，更多的應(yīng)用當(dāng)中選用更具可靠性的單芯片將會成為趨勢。”
應(yīng)用當(dāng)中最大的市場要屬筆記本電腦。從15年前開始，富士通電源管理的研發(fā)團隊就和富士通的筆記本電腦研發(fā)部門合作，開始開發(fā)針對筆記本電腦的充電管理IC。通過好幾代產(chǎn)品的不斷開發(fā)和改善，全新研發(fā)的鋰電池充電管理ICMB39A132和MB39A134已在臺灣地區(qū)和中國大陸等地許多大廠得到應(yīng)用，同時也受到最近備受矚目的上網(wǎng)本市場的關(guān)注。“在筆記本電腦應(yīng)用當(dāng)中，由于數(shù)年前接二連三發(fā)生充電電池爆炸事件，使各筆記本設(shè)計廠商對充電部分的設(shè)計愈發(fā)重視，在對充電管理部分都會選用品質(zhì)穩(wěn)定和可靠性高的大品牌電源管理IC。”他說道。
不過來自BCD半導(dǎo)體公司的AC/DC產(chǎn)品總監(jiān)吳昕博士更看好MCU+PWM方案，他認(rèn)為專用充電管理IC形成的控制方案電路雖然簡單但功能比較單一，通常只能對特定參數(shù)的鋰離子電池進行充電，而不同型號的便攜式產(chǎn)品往往使用不同型號規(guī)格的鋰離子電池，如果采用專用芯片，就會造成重復(fù)開發(fā)和資源浪費。
“用MCU+PWM實現(xiàn)的Buck電路成本低且控制方法靈活，可以方便地進行改進和升級，能夠適用于各種鋰離子電池。”吳昕表示。
BCD半導(dǎo)體是一家位于大中華區(qū)的模擬信號集成電路制造商(IDM)，從事電源管理集成電路產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)與制造。不同于市場上其他的Fabless設(shè)計公司，BCD半導(dǎo)體擁有6英寸晶圓廠
(包括Bipolar、CMOS、BiCMOS和BCDMOS等生產(chǎn)工藝)，可以藉由產(chǎn)品設(shè)計和先進的工藝技術(shù)整合來優(yōu)化產(chǎn)品的性能和成本，以提供具高性價比的應(yīng)用系統(tǒng)解決方案。
實際上BCD半導(dǎo)體關(guān)注的重點是高效率低成本AC/DC離線式電源適配器/充電器控制芯片，該公司于2006年開發(fā)的第一代原邊控制器AP370x系列產(chǎn)品是市場上最早推出的同類產(chǎn)品之一。據(jù)介紹，AP370x采用原邊控制和輸出電纜補償專利技術(shù)，內(nèi)置溫度補償和變壓器原邊電感補償，可以在省去光耦和次級反饋控制電路的情況下實現(xiàn)高精度的輸出電壓、電流控制，從而極大減少了電源電路的元器件個數(shù)，簡化電路設(shè)計，現(xiàn)已成功應(yīng)用于手機、無線公話、無繩電話以及無線路由器等產(chǎn)品的充電器/適配器中。“為了進一步提高電源轉(zhuǎn)換效率、降低待機能耗，我們又進一步在業(yè)界領(lǐng)先推出了滿足五星級標(biāo)準(zhǔn)的第二代原邊控制器AP376x系列，其30mW以下的空載功耗可以輕松滿足包括能源之星EPSv2.0和五星級手機充電器標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的全球所有的充電器/適配器能效及空載規(guī)范。”吳昕表示。
輸入電源日趨多樣
隨著人們生活環(huán)境的日益多樣化，可用于電池充電的電源也日趨多樣化，除了傳統(tǒng)的220VAC適配器以外，用戶還希望隨時能夠通過USB接口或車載電源等對各種設(shè)備的電池進行充電，此外還有用戶要求在設(shè)備充電的同時能夠繼續(xù)使用其功能，因此設(shè)備的充電管理電路需要更具靈活性，以適應(yīng)更為廣泛的應(yīng)用環(huán)境。
顯然，新的要求也給系統(tǒng)制造商帶來了更大的挑戰(zhàn)。“挑戰(zhàn)首先來自于充電管理IC需要更寬的工作電壓范圍，這樣就需要使用更高電壓的半導(dǎo)體工藝來進行芯片的設(shè)計。”王韻表示，“第二個挑戰(zhàn)是要求IC能對不同的輸入電源作出相應(yīng)的調(diào)整，以及對電池充電和系統(tǒng)用電能做出一定的管理。”他以富士通MB39A132/134充電管理IC為例解釋道，通過對輸入電流進行動態(tài)的分配，保證了系統(tǒng)用電和電池充電可以同時穩(wěn)定進行。
由于AC適配器/USB/車載電源所提供的電壓電流都不相同，而充電電池的電壓和節(jié)數(shù)也不盡相同，當(dāng)充電電壓高于電源電壓時要通過升壓才能進行充電，這樣的升降壓充電管理IC在市場上還沒有看到。此外在設(shè)備工作時同時充電，要求充電管理IC有很好的抗干擾設(shè)計，同時要注意在電池電壓很低的情況下，充電電流要保證大于放電電流，避免“入不敷出”的情況發(fā)生。“從充電IC的設(shè)計來看，目前面臨的挑戰(zhàn)包括：1、如何進一步提高充電轉(zhuǎn)換效率和降低待機的功耗；2、如何有效管理多通道的電源和負(fù)載；3、如何提高充電速率并同時保證電池的安全使用壽命；4、如何進一步擴展充電控制方法的靈活配置以期適應(yīng)不同型號電池的充電要求。”吳昕補充道。
他認(rèn)為，便攜式產(chǎn)品充電器如手機充電器是一個相對成熟、穩(wěn)定的市場，目前國內(nèi)相應(yīng)生產(chǎn)企業(yè)大多以生產(chǎn)制造為主，技術(shù)開發(fā)的力量相對比較薄弱。同時充電器本身是薄利商品，廠商的成本控制壓力比較大，對新技術(shù)的接受度也相對較低。近幾年由于公眾環(huán)保意識的增強，政府和各類環(huán)保組織、機構(gòu)，包括手機廠商本身，都提出了多個涉及充電器的節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，例如中國工信部頒布的《移動通信手持機充電器及接口技術(shù)要求和測試方法》(YD/T1591-2006)、能源之星EPS2.0、手機充電器分級標(biāo)準(zhǔn)等等，都旨在減少資源浪費、提高電能效率、減低空載空耗。這些標(biāo)準(zhǔn)的推出很大程度上推動了充電器產(chǎn)品的技術(shù)革新。
“中國制造商面臨的主要困難是設(shè)計者對充電方面的技術(shù)實踐不夠，未能完全掌握充電設(shè)計的要求。”王韻說道，“同時各家充電管理IC的功能不盡相同，使用者對新產(chǎn)品缺乏了解，設(shè)計不容易上手。解決的方法主要依靠充電管理IC的廠商加大對市場的產(chǎn)品和技術(shù)的推廣，給設(shè)計者提供多方位的技術(shù)支持，使設(shè)計者能快速掌握充電管理設(shè)計的技術(shù)。”
在筆記本設(shè)計當(dāng)中，工程師對充電管理IC的設(shè)計都非常重視，否則一旦發(fā)生問題將耗費工程師大量的時間和精力，所以在研發(fā)早期發(fā)現(xiàn)問題非常關(guān)鍵。王韻表示，富士通除了提供評估板用于客戶系統(tǒng)評估之外，還開發(fā)了筆記本電源設(shè)計評估系統(tǒng)，通過這套系統(tǒng)，只要客戶提供完整電路就可以對任何可能發(fā)生的問題進行完整的事前檢查，從而幫助減少研發(fā)風(fēng)險。
去年下半年發(fā)生的全球金融海嘯對于消費電子類產(chǎn)品打擊巨大，“但我們欣喜地發(fā)現(xiàn)，消費類電子已先于整體經(jīng)濟開始復(fù)蘇。特別是受益于國家家電下鄉(xiāng)補貼政策，筆記本電腦和液晶電視等市場迅速回暖。”王韻說道。“明年我們會繼續(xù)加大在電源管理IC研發(fā)上的投入，屆時將推出全新一代的充電管理產(chǎn)品。這幾年新能源技術(shù)不斷發(fā)展，電池技術(shù)備受矚目，鋰電池/鋰鐵電池也將會被應(yīng)用到更多的產(chǎn)品當(dāng)中。從電源管理IC來看，更安全、更高精度、多重保護功能、外部通訊功能、電池平衡充放電功能及多組電池寬電壓輸入等都將成為電池充電管理技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。”
采用高集成可編程邏輯器件進行電源管理
節(jié)能設(shè)計最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是使用微處理器來管理電源。微處理器未針對電源管理進行優(yōu)化，它們必須處理太多的指令，而且反應(yīng)時間緩慢，可能導(dǎo)致熱擊穿，以及突發(fā)性甚至是災(zāi)難性的電路板和系統(tǒng)故障。雖然在電源管理中使用微處理器一直是傳統(tǒng)做法，但使用邏輯器件進行電源管理速度更快，而且更可靠。
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，移動終端設(shè)備如手機、PDA、掌上電腦等產(chǎn)品正越來越多地得到廣泛使用。加上目前移動終端設(shè)備的處理器性能不斷提高、無線應(yīng)用程序不斷增加、圖形功能越來越先進。功能上的增加，導(dǎo)致了移動終端產(chǎn)品的功耗越來越大;因此，對電池的提出了更高的性能要求，尤其體現(xiàn)在電池的管理方面，其中包括電池的充電管理和電池的監(jiān)控，這是嵌入式產(chǎn)品開發(fā)中必須考慮的問題。
2. 電池管理芯片介紹
2.1. 電池充電管理芯片bq24032A
電池管理芯片bq24032A支持USB充電和AC充電方式。通過bq24032A對電池進行充電。此芯片提供整個系統(tǒng)的電源輸出。其中電池管理芯片bq24032A 的VBAT接于電池監(jiān)控芯片bq26220的VBAT引腳。PSEL為電源選擇端口，可以用于選擇由那種輸入電源作為主輸入電源(USB或AC)。如果主輸入電源不可用，系統(tǒng)將自動采用第二種輸入電源進行輸入，電池輸入作為最后的選擇，當(dāng)USB或AC電源不存在時才選擇使用電池作為供電源。PSEL被設(shè)置為低時，USB被選擇為主輸入[1]。下圖1為電池管理芯片bq24032A及其外圍電路圖：
2.2. 電池監(jiān)控芯片bq26220
bq26220芯片是先進的電池設(shè)備監(jiān)控模塊，它可精確地測量充電和放電電流，并支持所有管理電池容量的必要功能，這個芯片可用于手持電話、PDA、和另外的便攜式產(chǎn)品中。bq26220芯片和主控制器一起執(zhí)行電池的管理功能，主控制器負(fù)責(zé)將bq26220的數(shù)據(jù)傳送到終端用戶電源管理系統(tǒng)中和接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這個模塊提供64比特通用閃存，8比特的ID ROM，和32比特的RAM存儲空間。這些非易失的存儲空間能夠保存電池的監(jiān)控信息或關(guān)鍵的電池參數(shù)。
其中，BAT為電池電壓檢測輸入端口，這個引腳被用于檢測和測量電池的電壓值。HDQ為單線HDQ接口，是一個單線串行通信接口，它是雙向輸入的，負(fù)責(zé)將寄存器的信息傳遞給主控制器，并接收主控制器的信息到寄存器中，電池監(jiān)控芯片bq26220 的HDQ端口接于PXA272處理器的GPIO119端口[2]。下圖2為bq26220芯片原理模塊圖：
3. 電池驅(qū)動模型和驅(qū)動初始化過程
Window CE中包含的樣本設(shè)備驅(qū)動程序分為兩種類型：單片驅(qū)動程序(Monolithic device driver)和分層驅(qū)動程序(Layered Device driver)。采用分層開發(fā)模式可以降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，在電池驅(qū)動開發(fā)中使用分層驅(qū)動開發(fā)模式。
分層驅(qū)動程序由兩個獨立的層組成：上層是模型設(shè)備驅(qū)動程序(MDD)，下層是依賴平臺的驅(qū)動程序(PDD)。設(shè)備驅(qū)動程序服務(wù)器提供的接口(DDSI)是在PDD中實現(xiàn)的函數(shù)集，并由MDD調(diào)用。由于微軟提供了所有與MDD模塊相關(guān)的源代碼，所以對這部分不用做任何改動，只需將自己的PDD模塊與MDD模塊鏈結(jié)成一個公用庫即可[3]。MDD通過IoCTLS調(diào)用PDD中的特定函數(shù)來訪問硬件的具體特性。
總結(jié)
對于小型消費類電子設(shè)備的電池充電而言，USB端口是一個經(jīng)濟、實用的電源。為完全符合USB 2.0規(guī)范，連接在USB端口上的負(fù)載必須能夠與主機進行雙向通信。負(fù)載也必須符合電源管理要求，包括低功耗模式，以及便于主機確定何時需要從端口吸取大電流的手段。盡管部分兼容的系統(tǒng)能夠適應(yīng)大部分USB主機，但有時會出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。只有很好地理解USB規(guī)范要求和負(fù)載的期望，才能在對于規(guī)范的兼容性與負(fù)載復(fù)雜度之間取得較好的平衡。
