鋰離子電池已成為許多能量收集應(yīng)用中的常見能量存儲設(shè)備。對于工程師而言，最大化電池性能和生命周期需要使用能夠解釋鋰離子電池專用特性的電池充電電路。工程師可以使用包括ADI公司，Diodes公司，飛兆半導(dǎo)體公司，富士通半導(dǎo)體公司，Intersil公司，凌力爾特公司，Maxim Integrated公司，Micrel公司，Microchip Technology公司和德州儀器公司在內(nèi)的制造商提供的可用IC，經(jīng)濟(jì)高效地構(gòu)建鋰離子充電功能。

與許多其他電池技術(shù)不同，鋰離子電池需要在緊密的外殼內(nèi)保持充電曲線。充電不足的鋰離子電池根本無法提供其全額定能量輸出。另一方面，充電電路不能將鋰離子電池電壓推高到建議的限值以上或施加超過制造商建議水平的充電電流。在任何一種情況下，施加過電壓或過大的充電電流都會(huì)開始破壞鋰離子電池，從而降低整體電池壽命甚至導(dǎo)致災(zāi)難性故障。對于工程師來說，挑戰(zhàn)是最大化充電速率和電池電壓而不會(huì)對電池過度充電。

為了實(shí)現(xiàn)這種平衡，鋰離子充電通常采用兩階段方法（圖1）。在第一階段，通常稱為恒定電流或電流限制階段，電池以電池制造商推薦的最大充電速率充電。該速率，通常稱為1C速率或快速充電速率，是等于電池的安培小時(shí)額定值的充電電流。當(dāng)電池達(dá)到指定的設(shè)定點(diǎn)電壓（通常為4.2 V）時(shí)，電池容量僅達(dá)到其最大值的65％至70％，但進(jìn)一步的快速充電速率可能會(huì)損壞電池。結(jié)果，充電電路切換到第二階段或恒定電壓階段。這里，充電電路將僅提供足夠的電流以將電池的電壓保持恒定在該設(shè)定點(diǎn)電壓。因此，充電電路將持續(xù)降低充電電流，導(dǎo)致充電電流曲線逐漸衰減，如圖1所示。

圖1 ：傳統(tǒng)的CC/CV充電器首先以1C速率施加恒定電流，直到電池達(dá)到設(shè)定點(diǎn)電壓（通常為4.2 V），然后通過持續(xù)降低充電電流來保持電池兩端的恒定電壓。 （由德州儀器公司提供）IC制造商不斷優(yōu)化這種恒流/恒壓（CC/CV）充電器的IC實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了基本的CC/CV充電電路，具有一系列功能。例如，設(shè)計(jì)用于非常低成本應(yīng)用的Micrel MIC79050等設(shè)備將CC/CV充電與熱關(guān)斷和限流保護(hù)功能相結(jié)合。其他器件，如二極管APM8600和Microchip Technology MCP73841，增強(qiáng)了基本的CC/CV充電電路和熱關(guān)斷功能，具有更復(fù)雜的安全功能，包括用于設(shè)置單獨(dú)充電階段超時(shí)的充電定時(shí)器。

與同類產(chǎn)品中的許多器件一樣，二極管APM8600 IC擴(kuò)展了圖1所示的基本鋰離子充電曲線。此處，該器件先于傳統(tǒng)的CC/CV曲線，具有針對嚴(yán)重耗盡電池的特殊充電模式，并遵循它具有頂部關(guān)斷模式 - 所有這些都可使用外部電阻和電容進(jìn)行編程（圖2）。

圖2：二極管APM8600之類的IC擴(kuò)展了基本的CC/CV曲線，具有相等的相位，逐漸提升耗盡的鋰離子電池電壓和頂部電壓-off階段以達(dá)到完全電池容量。 （由Diodes Inc.提供）

將SETI引腳連接到GND的電阻RSETI可編程最大充電電流SETI。如圖2所示，對于嚴(yán)重耗盡的電池，器件在預(yù)定階段施加以150/RSETI的設(shè)定比率確定的有限充電電流。在預(yù)定階段結(jié)束時(shí)，充電電流曲線顯示熟悉的恒定電流階段，然后在電池達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)衰減。在最后階段，器件保持一個(gè)小電流（設(shè)置為112.5/RSETI）以“頂部”電池。

如前所述，CC/CV設(shè)備通常提供某種形式的溫度監(jiān)控器和熱限制功能。與二極管APM8600一樣，飛兆半導(dǎo)體MC34673具有充電電流熱折返功能，可在IC內(nèi)部溫度上升到預(yù)設(shè)閾值時(shí)限制充電電流（圖3）。

圖3：Fairchild MC34673等器件具有充電電流熱折返功能，可在IC芯片溫度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)限制充電電流。 （Fairchild Semiconductor提供）

MC34673設(shè)計(jì)為完全集成的電池充電器，僅需兩個(gè)外部電容和一個(gè)電阻，為鋰離子和鋰聚合物化學(xué)電池提供完整的CC/CV電池充電解決方案。與二極管APM8600一樣，工程師使用外部電阻為Fairchild器件編程最大CC模式電流。

其他類似設(shè)備擴(kuò)展了CC/CV充電功能，具有廣泛的附加功能。例如，Intersil ISL9230包含一個(gè)電源路徑管理功能，可控制充電電流和系統(tǒng)電流。這里，由于可用輸入電流受ISL9230或輸入電源的限制，因此ISL9230在電池和系統(tǒng)之間分配輸入電流，首先將可用電流分配給系統(tǒng)負(fù)載。

雖然許多CC/CV充電IC都基于線性穩(wěn)壓器，但ADI公司的ADP5065，富士通半導(dǎo)體MB39A134，凌力爾特公司LT1512和德州儀器BQ24610等器件依靠開關(guān)穩(wěn)壓器來控制輸出電流和電壓。 Linear LT1512使用電流模式切換器，開關(guān)在振蕩周期開始時(shí)打開，在開關(guān)電流達(dá)到預(yù)設(shè)電平時(shí)關(guān)閉。雙反饋電壓檢測誤差放大器的輸出用于設(shè)置開關(guān)電流電平以控制輸出電壓和電流。誤差放大器（如圖4左下方所示）允許檢測輸出電壓和電流。這里，誤差放大器的一個(gè)反相輸入用于電壓檢測，而第二個(gè)由放大器驅(qū)動(dòng)，該放大器使用外部電阻器檢測輸出電流。

圖4：與基于線性穩(wěn)壓器的CC/CV鋰離子充電器一起，工程師可以找到線性LT1512等設(shè)備，它使用電流模式切換器和誤差放大器控制輸出電流和電壓。 （由Linear Technology提供）

工程師可以找到專為獨(dú)立工作或與微控制器組合工作的CC/CV充電IC。工程師可以使用MCU通過Maxim Integrated MAX8814控制充電，例如，通過將器件的EN使能輸入驅(qū)動(dòng)為高電平來禁用或低電平以進(jìn)行正常充電操作。在這種基于MCU的設(shè)計(jì)中，工程師將通過測量用于設(shè)置最大充電電流的電阻兩端的電壓來監(jiān)控充電電流。

結(jié)論

恒流/恒壓IC提供最大化鋰離子電池性能和生命周期所需的基本充電功能?；趯C/CV充電的基本支持，各種可用IC在一系列封裝選項(xiàng)中提供更復(fù)雜的電池保護(hù)和電源管理功能。通過利用這些現(xiàn)成的解決方案，工程師可以輕松地為其設(shè)計(jì)添加鋰離子電池充電功能。