效能成本尺寸通盤考量 電池充電管理更上層樓.doc

本文作者為德州儀器產品線管理部門總監

可攜式電子裝置設計人員在化學材料、充電器拓撲及充電管理解決方案的種類上有諸多選擇。選擇最適合的解決方案應該是件簡單的工作，但在真實狀況中，大多數的決策過程都更複雜。設計人員必須通盤考量效能、成本、外觀尺寸及其他關鍵需求以做出最佳抉擇。 電池設計安全/容量/壽命缺一不可
採用充電式電池的系統設計人員，在設計電池時，須要注意部分基本技巧，以確實符合以下的三大需求：
‧
電池安全性(Cell Safety)

使用者的安全性無疑是任何系統設計的首要考量。多數鋰離子及鋰聚合物(Li-Pol)電池組都內含 防護電子裝置，然而系統設計層級也有其他重要的考量，其中包括(但不限於)確保鋰離子電池在最後充電階段的電壓調節容差為±1%、針對電量即將用盡的電池 進行安全處理的預先調節模式、具備安全性計時器及進行電池溫度監測。

‧
電池容量(Cell Capacity)

所有的電池充電解決方案都必須確保電池在每次充電時能完全充滿。充電過早終止會縮短電池壽命，這對亟需用電的可攜式裝置而言，相當不理想。

‧
電池壽命(Cycle-life)

要確保使用者能夠從各電池組獲得最長的充電週期，採用建議的充電演算法是其中的重要步驟。若要使電池的使用壽命達到最長，就必須控制每次充電的電池溫度及電壓、預先調節電量即將用盡的電池，並且避免充電過久或不當終止。
不同電池材料須搭配相應充電管理
現今的系統設計人員有多種電池化學材料可以選擇，但一般選擇標準不外乎電力容量、尺寸及外觀、成本及使用模式與電池使用壽命。
雖然近年來電池設計較偏向於採用鋰離子及鋰聚合物類化學材料，但是鎳質化學材料也被運用於許多消費性產品應用。無論選擇何種化學材料，都必須採用適合於該化學材料的充電管理技術，才可確保電池每次充電時都能充至最滿，且不損及安全性或使用壽命(表1)。

‧
鎳鎘/鎳氫電池

在開始充電前，必須確認鎳鎘及鎳氫電池的條件，並進行可能的調整，始能進行快速充電。若電池電壓或 溫度超過限度，則禁止進行快速充電。基於安全考量，溫度過高(一般超過45℃)的電池不可繼續充電，必須等到電池降至正常的運作溫度範圍才能繼續。為了調 節溫度過低(一般低於10℃)或過度放電的電池(一般各電池低於1伏特)，須要採取少量的涓流充電(Trickle Current)方法。
當電池溫度及電壓都在有效範圍內時，即可進行快速充電。鎳氫電池一般以1C(含)以下的恆定電流進行充電，某些鎳鎘電池的充電速度則可達到4C。適當的充電終止可避免有害的過度充電情形。
鎳質充電電池可根據電壓或溫度進行快速充電終止。如圖1所示，一般採用的電壓終止方法是峰值電壓偵測，當各電池的電壓峰值介於-4～0毫伏特的範圍內時， 便會終止快速充電。溫度方法則是用電池溫度升高的速率(ΔT/Δt)來偵測是否達到完全充電。一般ΔT/Δt速率為每分鐘1℃。

圖1 鎳質電池的充電曲線圖

‧
鋰離子/鋰聚合物電池

鋰離子電池跟鎳鎘/鎳氫電池一樣，也必須經過調整及配置才能進行快速充電，其中的控制條件及調節方法與前述相似。
如圖2所示，經過調整及預先調節，鋰離子電池會先以1C(含)以下的電流進行充電，直到電池達到充電電壓限制為止，此階段一般可充至70%的程度，之後電 池一般會繼續以4.2伏特恆定電壓進行充電。為達到最高的安全性及可用容量，必須將充電電壓調節至±1%(含)以上。在此階段電池引入的充電電流會逐漸減 少，一旦電流量低於初始充電電流(1C充電速率)的10～15%時，一般便會停止充電。

圖2 鋰質電池的充電曲線圖
切換模式拓撲大幅提升效率
可攜式裝置長久以來都使用線性充電拓撲，此方法可為設計人員提供多項優勢，例如低實作成本、設計簡便性及無需高頻率切換的無雜訊運作。然而線性拓撲會導致 系統的功率消耗，尤其當較高的電池組容量使充電速率增加時，當設計人員無法處理設計中的散熱問題時，會演變成重大的缺陷。
以個人電腦(PC)的通用序列匯流排(USB)連接埠作為電源，則會產生另一項重大缺陷。現今許多可攜式裝置都提供USB充電的功能，其充電速率可達500毫安培。但由於線性充電拓撲的效率不彰，因此從USB輸出的電量大量減少，導致充電時間耗時許久。
電源切換須有效降低整體漏失
有鑑於此，切換模式拓撲應運而生，其主要優點在於提升效率。與線性穩壓器不同，電源切換在飽和區域中進行運作，因而可有效降低整體漏失。降壓轉換器中主要 功率損耗原因包括電源切換時的切換損耗以及濾波器電感中的直流電損耗。依據不同的設計參數，這些應用的效率經常超過95%。
大多數的人聽到切換模式，通常會聯想到大型IC、大型PowerFET和超大型電感。雖然這類應用確實能處理數10安培的電流，但是新一代可攜式裝置解決 方案已非如此。新一代的單顆鋰離子電池切換模式充電器可達到最高的晶片整合度，並使用1MHz以上的頻率將電感縮至最小尺寸，目前已有可用的解決方案，其 整合上端及下端的PowerFET晶片尺寸均小於4平方毫米，在3MHz的切換頻率下，能達到2毫米×2.5毫米×1.2毫米、W×L×H封裝的1微亨 (μH)電感。

圖3 電池充電器選擇工具
目前有多種工具可協助設計人員更輕易地選擇正確的充電器。圖3顯示德州儀器(TI)網站上提供的其中一種選擇工具，可供參考。