一、簡介

與其他電池類型相比，鋰離子電池有幾個優(yōu)點：重量輕，鋰離子的能量密度通常是標準鎳鎘電池的兩倍。鋰離子電池沒有記憶效應(yīng)，自放電比鎳鎘電池少6~8倍。3.6 伏的高電池電壓通常足以從單個電池為應(yīng)用程序供電。這些特性使鋰離子電池在現(xiàn)代便攜式電子應(yīng)用中非常受歡迎。

圖1

圖 1 顯示了幾種類型的鋰離子和鋰聚合物電池，用于不同的應(yīng)用，容量從 200mAh 到 2800Ah。標準鋰離子電池通常使用剛性外殼，而鋰聚合物電池通常使用柔性箔式或軟包電池外殼，從而減小尺寸和重量。在應(yīng)用方面，鋰離子電池和鋰聚合物電池之間的電氣特性沒有顯著差異。

在使用鋰離子電池設(shè)計應(yīng)用時，了解電池在充電和放電期間的行為非常重要，以確保安全的應(yīng)用和最佳的電池壽命。

2. 單節(jié)鋰離子電池作為電源

當使用單節(jié)鋰離子電池為您的應(yīng)用供電時，應(yīng)用輸入范圍必須考慮電池的電壓波動，對于大多數(shù)鋰離子電池而言，其范圍從 4.2V 完全充電到 3.0V 完全放電。大多數(shù)應(yīng)用都需要某種形式的電壓調(diào)節(jié)。

圖 2

圖 2 顯示了 2000mAh 鋰離子電池從完全充電 （4.2V） 到完全放電 （3.0V） 的典型放電曲線。放電率表示為電池容量（C）的比率。在高放電電流下，電池容量不能充分利用，電池內(nèi)阻會導(dǎo)致電池電壓下降。

立锜提供范圍廣泛的 LDO、降壓、升壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，它們可以在典型的鋰離子電池電壓范圍內(nèi)工作。下面是一些示例應(yīng)用程序。

像RT9063這樣的低 I Q LDO可用于以最小的電池負載調(diào)節(jié)微功率應(yīng)用的輸出電壓。1μA 接地電流可確保在低功耗待機模式下將電池消耗降至最低。

圖 3. RT9063 -25 用于具有超低待機模式的低功耗應(yīng)用。

當電池電壓接近輸出電壓時，像RT8059這樣的低壓降壓轉(zhuǎn)換器將在 100% 占空比模式下運行，從而增加電池的可用范圍。

圖 4. RT8059 3.0V 應(yīng)用將穩(wěn)壓維持在低至 3.0V 的電池電壓。

像RT9276這樣的升壓轉(zhuǎn)換器可用于在不同的電池電壓下產(chǎn)生穩(wěn)定的 USB 5V 電源，并提供電池電壓監(jiān)控功能。

圖 5. RT9276 -50 應(yīng)用從電池輸入提供穩(wěn)定的 5V。

當輸出電壓介于電池最大和最小電壓范圍之間時，可以使用像 RT6150A 或 RT6154A 這樣的降壓-升壓穩(wěn)壓器，并且它們的四個內(nèi)部開關(guān)可以無縫地從降壓模式切換到升壓模式。

圖 6. 當電池電壓低于 VOOUT 時，RT6150A 會自動從降壓模式切換到升壓模式。

恒流升壓轉(zhuǎn)換器通常用于使用鋰離子電池為 LED 供電。對于非常低的功率水平 （0.2W），使用 RT9361A 等電荷泵。對于更高的功率，可以使用 RT9285B （0.8W） 或RT9293 B （2.5W） 等升壓轉(zhuǎn)換器。對于大型顯示器的背光照明，可使用RT8532 （6W）等多串升壓 LED 驅(qū)動器。

圖 7. PWM 可調(diào)光 RT9285B 應(yīng)用，用于使用鋰離子電池為 4 個 WLED 供電。

一般應(yīng)用備注：

大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器都提高了輕負載效率，從而增加了輕負載條件下的電池跨度。

鋰離子電池對過放電很敏感，這就是為什么許多電池都內(nèi)置了欠壓保護電路，當電池放電到 2.5V 以下時會關(guān)閉電池。建議在激活此電池內(nèi)部保護之前為電池重新充電或斷開電池與系統(tǒng)的連接。

在電池安裝期間，由于電池連接線和低 ESR 陶瓷輸入電容器的諧振，鋰離子電池對僅包含陶瓷輸入電容器的應(yīng)用的熱插拔事件會導(dǎo)致輸入電壓振鈴。電路設(shè)計人員應(yīng)仔細檢查此行為，并確保熱插拔事件不會對 IC 輸入電路造成電壓過載。

3. 電池充電

為鋰離子電池充電需要特別小心，因為不正確的充電會導(dǎo)致電池損壞和不安全的情況。大多數(shù)鋰離子充電器都具有預(yù)調(diào)節(jié) - 恒流 - 恒壓 - 電流切斷功能，如下圖 8 所示。

圖 8

在深度放電的情況下，電池充電器會首先提供一個低預(yù)充電電流，以對電池進行正常充電的預(yù)處理。這種低預(yù)處理電流還可以重置電池內(nèi)部欠壓保護。

在恒流調(diào)節(jié)模式下，電池以定義的電流充電，通常在 0.5C 和 0.7C 之間（其中 C 是電池容量，以 Ah 為單位）。

當電池電壓接近調(diào)節(jié)電壓時（4.2V或4.35V，取決于電池類型）充電電流逐漸下降，充電器將工作在恒壓模式。需要精確控制這個最大調(diào)節(jié)電壓，以避免過度充電，這會損壞電池并導(dǎo)致不安全的情況。

當電池電壓達到其調(diào)節(jié)電壓且充電電流降至額定充電電流的一定百分比（通常為5～10%）以下時，即認為電池已充滿電，然后終止充電。不建議對鋰離子電池連續(xù)涓流充電，因為這會縮短電池壽命。大多數(shù)充電器會在電池電壓下降到一定水平（通常低于調(diào)節(jié)電壓0.1~0.2V）以下時開始重新充電循環(huán)。

當鋰離子電池長時間不使用時，最好將其放電至 40%（~3.7V）左右，以減少其老化效應(yīng)。

需要監(jiān)測充電過程中的電池溫度，電池溫度過高或過低都應(yīng)停止充電過程。對于大多數(shù)鋰離子電池，可以在 10°C ~ 45°C 的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用正常充電條件。當電池溫度低于 0°C 或高于 60°C 時，應(yīng)停止充電。

立锜擁有從線性到開關(guān)類型的各種鋰離子充電器。線性充電器拓撲通常用于高達 1000mAh 的電池，而開關(guān)充電器用于可通過更高電流 （》1A） 充電的更大容量電池，或者在使用具有更高輸入電壓的適配器時。

RT9525是一款具有自動電源路徑的線性充電器，它允許應(yīng)用程序從適配器電源運行，但當超過適配器輸入電流限制時，它會逐漸回到電池電源。RT9525還包含許多保護功能，如輸入過壓保護、輸出短路保護和負載斷開功能。

圖 9. 具有自動電源路徑的小型電池供電應(yīng)用的典型RT9525充電器。

RT9451是一款帶I 2 C控制的開關(guān)充電器，可以靈活選擇充電參數(shù)和系統(tǒng)控制。開關(guān)拓撲在降壓模式下允許高達 12V 的輸入和 4A 的快速充電電流。開關(guān) MOSFET 還可以設(shè)置為升壓模式，其中可以從電池向 Vin 引腳提供電流高達 1.6A 的穩(wěn)定 5V，為 USB-on-the-Go （OTG） 設(shè)備供電。RT9451常用于具有較大容量鋰離子電池（》 2Ah）的系統(tǒng)，如平板電腦，但也可應(yīng)用于移動電源，可使用大電流 OTG 功能為外部設(shè)備充電。

圖 10.為大容量電池充電的典型RT9451應(yīng)用。

4. 電池電量計

在許多電池應(yīng)用中，了解電池中剩余的電量非常重要。檢查鋰離子電池的充電狀態(tài) （SOC） 通常通過庫侖計數(shù)方法完成，該方法測量電池電流隨時間的變化，并根據(jù)電荷的凈增加/減少確定 SOC。這些方法在理論上是準確的，但隨著時間的推移會出現(xiàn)累積誤差，并且由于電流檢測電路而導(dǎo)致電路復(fù)雜。

另一種 SOC 測量可以通過基于動態(tài)電壓的電量計來完成，該電量計隨時間測量電池電壓，并結(jié)合電池模型使用動態(tài)電壓測量值來計算相對 SOC。這種拓撲結(jié)構(gòu)不受誤差累積的影響，可用于 RT9420 和RT9428電池電量計 IC。這些 IC 簡單地連接到電池端子，并隨著時間的推移非常準確地監(jiān)控電池電壓。他們使用內(nèi)部算法計算相對 SOC 并通過 I 2將其傳回主機微控制器C. 為了獲得最佳 SOC 精度，應(yīng)用電池組需要在設(shè)計階段進行表征：電池特定補償以及溫度和充電/放電效應(yīng)可以包括在 SOC 計算中。

圖 11. RT9428電池電量計應(yīng)用

圖 10 顯示了RT9428的典型應(yīng)用。為了準確測量電池電壓，建議將 Kelvin 連接到電池引線。

圖 12. 不同放電條件和過充電/放電循環(huán)下的 SOC 測量和 SOC 誤差。

RT9428可以在各種充電/放電條件和電池周期內(nèi)實現(xiàn)良好的 SOC 精度。