充電技術(shù)：停不下“充電”的步伐

電是20世紀(jì)影響人類文明進(jìn)程中極為重要的一個(gè)發(fā)現(xiàn)，從早期的電線輸電供電，到后來電池的出現(xiàn)，人類社會(huì)進(jìn)入一個(gè)全新的文明階段。充電電池的出現(xiàn)，則讓電池改變世界的進(jìn)程再次深化。

可反復(fù)使用的充電電池，不僅應(yīng)用更便捷，長期使用成本更低廉，使用的時(shí)間更為長久，從節(jié)能環(huán)保的角度也遠(yuǎn)比普通電池更有優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，未來5年內(nèi)，可充電電池在供電電池市場所占的比例將從現(xiàn)在的45%提升到70%以上，2011年生產(chǎn)95%的電池供電電子設(shè)備采用充電電池供電，到2010年僅移動(dòng)電話充電適配器就超過12.5億個(gè)。可以說，充電技術(shù)幾乎伴隨著電池供電系統(tǒng)滲透到我們生活中的每個(gè)角落，你能想象自己處于一個(gè)無法充電世界中的生活嗎？

充電技術(shù)趨勢

充電技術(shù)包括電池充電、電容充電和電氣充電，本文重點(diǎn)討論電池充電。電池充電是給蓄電池、可充電電池等設(shè)備補(bǔ)充電量的過程，其原理是讓直流電從放電相反的方向通過，以使電池中活性物質(zhì)恢復(fù)作用。

典型的充電系統(tǒng)主要包括幾個(gè)部分，交流到直流的AC-DC轉(zhuǎn)換，直流電壓適配器的DC-DC轉(zhuǎn)換，數(shù)字電源管理單元，以及電源監(jiān)控部分和充電保護(hù)部分。由于現(xiàn)階段充電系統(tǒng)和充電電池在不同應(yīng)用中的尺寸大小、電壓和功率、充電時(shí)間及充電環(huán)境千差萬別，所以充電系統(tǒng)的實(shí)際組成也相去甚遠(yuǎn)。比如汽車內(nèi)的蓄電池充電與現(xiàn)在的電動(dòng)車電池充電就是完全不同的兩個(gè)系統(tǒng)，而最常用的鋰離子電池充電系統(tǒng)多集中在消費(fèi)電子應(yīng)用，尺寸和效率的要求同樣重要。

充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是對其系統(tǒng)的技術(shù)要求日益苛刻，迫使充電系統(tǒng)不得不隨時(shí)自我完善。在為一塊塊電池充電的同時(shí)，借助半導(dǎo)體廠商與系統(tǒng)廠商的研發(fā)，充電系統(tǒng)也在不斷地自我“充電”。對充電系統(tǒng)的技術(shù)要求包括：系統(tǒng)小型化、速度與效率提升、空載待機(jī)功耗低、充電傳輸損耗小、通用性、安全性與充電可監(jiān)控等。

隨著儲能產(chǎn)品的多樣發(fā)展，目前充電系統(tǒng)技術(shù)的主要要求涉及到系統(tǒng)安全、轉(zhuǎn)換能效、高度集成以及使用便利等方面。例如，多串電池應(yīng)用需求的發(fā)展，便攜式移動(dòng)設(shè)備充電接口的統(tǒng)一，以及無線充電技術(shù)的完善等目前較為關(guān)注的市場和技術(shù)領(lǐng)域都涉及到這些。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，對充電系統(tǒng)的要求也有所不同。例如在便攜式應(yīng)用中，隨著便攜式產(chǎn)品用電需求的增長，大容量的鋰離子電池越來越多地應(yīng)用于各種便攜式設(shè)備，充電技術(shù)發(fā)展的要求是加快充電速度，減小充電方案的體積；而對于大功率的儲能設(shè)備或者是汽車等應(yīng)用場合，由于使用了超大容量電池，并且隨著業(yè)界對于節(jié)能環(huán)保的要求，鋰離子電池正在取代傳統(tǒng)的鉛酸電池成為主力，由于鋰離子電池充電安全性的問題比較突出，因此在這一領(lǐng)域，更注重的是如何如何在加快充電速度的基礎(chǔ)上保證充電系統(tǒng)和電池的可靠性。根據(jù)這些要求，目前充電系統(tǒng)新的技術(shù)開發(fā)主要集中在開關(guān)充電，無線充電以及電池均衡等技術(shù)。而這些技術(shù)中，各自涉及到不少的半導(dǎo)體器件，如充電器端的離線開關(guān)電源控制器，功率半導(dǎo)體器件，充放電管理芯片、電池監(jiān)測芯片、功率開關(guān)管，電池端的開關(guān)充電芯片，電池的均衡保護(hù)前端器件，完成保護(hù)均衡算法的MCU，有時(shí)涉及穩(wěn)壓保護(hù)等半導(dǎo)體產(chǎn)品。意法半導(dǎo)體擁有完整的充電半導(dǎo)體解決方案，包括：微控制器，柵極驅(qū)動(dòng)器，電源管理IC，功率器件（二極管、IGBT、功率MOSFET、電源模塊），運(yùn)算放大器、PLM，電能表IC，傳感器等。

提升充電效率與通用性

提升充電效率和縮短充電時(shí)間一直是半導(dǎo)體廠商在電池充電領(lǐng)域所致力改進(jìn)的方向。對于便攜式應(yīng)用，主要是使用更高效率的新工藝開關(guān)充電器芯片來達(dá)到這個(gè)高效率和大電流以縮短充電時(shí)間；而對于像電動(dòng)汽車這種大功率的場合，Intersil資深應(yīng)用工程師李林談及該公司所致力的方向，主要是研究更先進(jìn)的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制芯片來提高充電轉(zhuǎn)換器的效率，包括正在考慮中的無線充電解決方案。而對于后端系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠商，還可以在接插件方面來下功夫，以減小充電器與電池系統(tǒng)之間的阻抗，提升充電電流來縮短充電時(shí)間。

在充電系統(tǒng)中，電源監(jiān)控，數(shù)字電源管理和AC-DC轉(zhuǎn)換三個(gè)部分在充電技術(shù)系統(tǒng)中都占有重要地位。AC-DC電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的好壞，直接影響充電的效率和可靠性。特別是對中大功率的充電應(yīng)用場合，使用新技術(shù)可以做出效率更高，功率密度更大的產(chǎn)品，從而降低系統(tǒng)的開發(fā)和使用成本，給用戶帶來好處。李林認(rèn)為這部分是最有改進(jìn)可能的一部分，恰好這也是Intersil最關(guān)注的一部分。意法半導(dǎo)體也認(rèn)為AC-DC是提升效率最主要的環(huán)節(jié)，解決方法還包括引進(jìn)新的半導(dǎo)體材料，如SiC和GaN，隔離的柵極驅(qū)動(dòng)器也會(huì)導(dǎo)致更高的效率和系統(tǒng)集成。

TE Connectivity電路保護(hù)部應(yīng)用工程經(jīng)理郭濤指出，TE電路保護(hù)部致力于各類電路保護(hù)器件和提供電路保護(hù)方案。提升充電效率主要是提高充電電路的能量利用效率，在滿足充電電路正常工作的前提下盡可能采用低功耗設(shè)計(jì)。充電時(shí)間主要與鋰電池技術(shù)和充電方案有關(guān)。在現(xiàn)有鋰電池技術(shù)基礎(chǔ)上，縮短充電時(shí)間主要采取提高充電電流（最大不超過1C），和減小涓流充電時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。

TI電源管理產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理 程文濤特別提到，手機(jī)及適配器制造商滿足最新的要求是，歐盟委員會(huì)整合性產(chǎn)品政策 （EC IPP） 規(guī)定的30mW 以下 5 星級空載功耗標(biāo)準(zhǔn)要求。TI為此推出高效率 UCC28700 反激控制器，其優(yōu)勢包括原邊調(diào)節(jié)、恒壓恒流，非常寬的VDD輸入電壓范圍，支持很高的開關(guān)頻率，無需光耦反饋電路，寬VDD 輸入電壓及遲滯范圍，與低 IDD待機(jī)電流支持更小的VDD電容器，而且無需其它外部電路。另一方面，某些手機(jī)與平板電腦的 5W 和 10W 充電器只支持某一品牌的設(shè)備，給當(dāng)前移動(dòng)用戶帶來很大困擾。消費(fèi)者購買新移動(dòng)設(shè)備就需要新的充電器，增加家中適配器的數(shù)量，最終產(chǎn)生更多的電子垃圾。TI TPS2511 智能 USB 充電控制器符合 USB 電池充電規(guī)范 1.2 版要求，可為系統(tǒng)提供更多充電算法。該產(chǎn)品將電流限制 USB 電源開關(guān)與 USB專用充電端口識別電路相整合，可自動(dòng)檢測 USB 2.0 及 3.0 數(shù)據(jù)線路電壓，并提供正確的電氣特征，安全地為符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備充電。

電源保護(hù)與電源監(jiān)控

由于充電電池需要反復(fù)使用，而且在充電過程中盡管是直流充電，依然會(huì)存在一定的瞬態(tài)電流，所以充電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行一定的電源保護(hù)設(shè)計(jì)，以確保對電池的損傷能降到最低。

郭濤強(qiáng)調(diào)，具體到實(shí)際應(yīng)用，單只鋰離子電池的充電電壓最好保持在4.1V，通過充放電管理芯片，充電電流通常限制在1C以下，否則會(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電系統(tǒng)通常采用恒流/恒壓充電模式，即先采用恒定電流充電，電池電壓不斷上升，當(dāng)上升到門限電壓時(shí)充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)入恒壓方式（4.1V+50mV），充電電流逐漸減小，當(dāng)電池充足電時(shí)，電流降到涓流充電電流。在電池充電過程中，長時(shí)間過充對電池造成的損傷是最為嚴(yán)重的事件，極度情況下會(huì)引起電池爆炸著火，傷及人身。為了避免此類事故，電源部分通常采用限壓技術(shù)或元件，防止過高電壓電源的誤輸入造成充放電管理系統(tǒng)電路的損壞；同時(shí)，在電池電極附近安裝聚合物型可恢復(fù)正溫度保護(hù)器件，在充放電管理系統(tǒng)失效時(shí)，起到二次保護(hù)作用，防止過充造成電池的毀壞。

除了在充電過程中加入相應(yīng)電路保護(hù)功能，充電過程中還需要通過對電池的電壓及溫度的監(jiān)測，針對電池的不同狀態(tài)，設(shè)計(jì)合理的充電曲線，來調(diào)整不同狀態(tài)下的充電電流來降低對電池的損傷。特別是對便攜產(chǎn)品的鋰離子電池充電，如果不進(jìn)行電池監(jiān)控，散熱失控（一種電池進(jìn)入失控反應(yīng)的狀態(tài)）會(huì)導(dǎo)致電池的溫度快速升高，最終產(chǎn)生爆炸等嚴(yán)重后果，在某些低高溫范圍內(nèi)應(yīng)避免使用高充電電流和高充電電壓的重要性。目前智能電池組包括了一個(gè)電量計(jì)、模擬前端和二級保護(hù)電路，常常用于筆記本電腦應(yīng)用中。電量計(jì)通過 SMBus 向系統(tǒng)提供電池的電池電壓、充電和放電電流、電池溫度、剩余電量以及可運(yùn)行時(shí)間信息，旨在優(yōu)化系統(tǒng)性能。在各類電源監(jiān)控電路部分，郭濤認(rèn)為，可使用TE電路保護(hù)部的聚合物型自恢復(fù)保護(hù)器或者一次型保險(xiǎn)絲，防止由于各類操作和組裝失誤造成的電源短路故障。

電源監(jiān)控同樣也是提升充電效率的一個(gè)重要手段，能夠?qū)⒊潆娦畔鬟f給控制部分，優(yōu)化充電過程。充電系統(tǒng)中需要監(jiān)控的參數(shù)主要包括充電電流，充電電壓，充電器的溫度，電池的溫度等信息，而這些參數(shù)主要是通過ADC檢測節(jié)點(diǎn)電壓的方式來實(shí)現(xiàn)的，如監(jiān)控充電電流這一項(xiàng)，由于在大功率應(yīng)用中，為了達(dá)到較高的檢測精度，一般使用精密電阻來進(jìn)行檢測，但是為了不影響充電效率，電阻的取值一般都非常小，所以需要對檢測信號進(jìn)行放大，而這時(shí)候電流放大器就特性就會(huì)非常重要。

軟件的作用

軟件在充電系統(tǒng)中扮演了非常重要的角色，對硬件電路起到了不可忽視的補(bǔ)充作用，使得充電系統(tǒng)的可控性和可移植性變得更強(qiáng)。例如通過軟件算法對充電系統(tǒng)和電池進(jìn)行監(jiān)控，可以極大地減少充電解決方案的硬件體積和成本，增強(qiáng)充電系統(tǒng)的可靠性。李林表示，Intersil公司為自己的每一款充電芯片都提供必要的軟件支持，通過提供圖形化的軟件評估界面和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，以便系統(tǒng)廠商可以方便快速地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而縮短系統(tǒng)廠商的開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。軟件具有更改靈活、便于擴(kuò)展，整體費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。隨著嵌入式軟件的發(fā)展，軟體在充電系統(tǒng)中的分量將越來越重。郭濤介紹，TE電路保護(hù)部提供業(yè)內(nèi)先進(jìn)的電路保護(hù)器件和完善的保護(hù)方案，作為一個(gè)被動(dòng)元件商，現(xiàn)在還沒有進(jìn)入相關(guān)的軟件領(lǐng)域。

新興應(yīng)用

電動(dòng)汽車是最近一個(gè)非常熱門的應(yīng)用，而普及電動(dòng)汽車的諸多技術(shù)因素中，充電系統(tǒng)現(xiàn)在是制約其快速發(fā)展的重要瓶頸。電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)不僅要求效率和充電時(shí)間，更要求在安全和易用性上取得突破。這其中比較突出的要求包括，通用性的充電接口與通用電量檢測軟件。

大功率電池供電設(shè)備不同于單節(jié)電池供電系統(tǒng)。由于需要使用多節(jié)電池進(jìn)行各種串并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)所需的電池功率，使得整個(gè)供電單元成為一個(gè)復(fù)雜的電池組。在這個(gè)電池組中任何一節(jié)電池芯出現(xiàn)問題，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電池組包失效并危害到使用者。如何保證電池組中每一節(jié)電池的安全，如何用最經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)對每一節(jié)電池的監(jiān)控，如何保證在復(fù)雜的電池系統(tǒng)裝配過程中不因各類疏忽或差錯(cuò)引起無法控制的危害，這些都是與傳統(tǒng)單節(jié)電池充電系統(tǒng)的不同和需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

同時(shí)，這類產(chǎn)品由于其應(yīng)用的特殊性，對可靠性要求比較嚴(yán)格，因此對相應(yīng)的半導(dǎo)體器件也提出了新的挑戰(zhàn)。李林自信地表示，Intersil在這類產(chǎn)品上有單獨(dú)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，根據(jù)自身的優(yōu)勢，為這類應(yīng)用提供高可靠性的解決方案。針對于當(dāng)下發(fā)展最活躍的鋰電池電動(dòng)車市場，Intersil推出了多個(gè)高性能的產(chǎn)品系列和解決方案，如多節(jié)電池均衡保護(hù)模擬前端產(chǎn)品ISL78600，在提供業(yè)界最快的循環(huán)電池電壓掃描功能的同時(shí)，耗電量低到只有幾十微安， 并且提供業(yè)界最靈活的內(nèi)部寄存器設(shè)置幫助客戶實(shí)現(xiàn)不同的電池保護(hù)算法要求。 再如更具靈活性的基于ISL6754的高效率非對稱全橋ZVS電壓轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種新的架構(gòu)在不增加硬件投入成本的前提下幫助客戶將大功率充電系統(tǒng)的效率提升了一個(gè)等級，為節(jié)能環(huán)保型充電器的入市奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

除了電動(dòng)車充電外，無線充電則是消費(fèi)電子領(lǐng)域的熱門應(yīng)用，這方面請參考本刊2012年6月相關(guān)文章。而另一個(gè)值得關(guān)注的是太陽能與光伏發(fā)電后的充電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的最大不同是直流發(fā)電后儲存電能，然后經(jīng)過DC-AC轉(zhuǎn)換后如何并入電網(wǎng)，這其中最關(guān)鍵的是效率、持續(xù)性與兼容性。