充電技術：停不下“充電”的步伐

電是20世紀影響人類文明進程中極為重要的一個發現，從早期的電線輸電供電，到后來電池的出現，人類社會進入一個全新的文明階段。充電電池的出現，則讓電池改變世界的進程再次深化。

可反復使用的充電電池，不僅應用更便捷，長期使用成本更低廉，使用的時間更為長久，從節能環保的角度也遠比普通電池更有優勢。據統計，未來5年內，可充電電池在供電電池市場所占的比例將從現在的45%提升到70%以上，2011年生產95%的電池供電電子設備采用充電電池供電，到2010年僅移動電話充電適配器就超過12.5億個。可以說，充電技術幾乎伴隨著電池供電系統滲透到我們生活中的每個角落，你能想象自己處于一個無法充電世界中的生活嗎？

充電技術趨勢

充電技術包括電池充電、電容充電和電氣充電，本文重點討論電池充電。電池充電是給蓄電池、可充電電池等設備補充電量的過程，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恢復作用。

典型的充電系統主要包括幾個部分，交流到直流的AC-DC轉換，直流電壓適配器的DC-DC轉換，數字電源管理單元，以及電源監控部分和充電保護部分。由于現階段充電系統和充電電池在不同應用中的尺寸大小、電壓和功率、充電時間及充電環境千差萬別，所以充電系統的實際組成也相去甚遠。比如汽車內的蓄電池充電與現在的電動車電池充電就是完全不同的兩個系統，而最常用的鋰離子電池充電系統多集中在消費電子應用，尺寸和效率的要求同樣重要。

充電系統結構雖然簡單，但是對其系統的技術要求日益苛刻，迫使充電系統不得不隨時自我完善。在為一塊塊電池充電的同時，借助半導體廠商與系統廠商的研發，充電系統也在不斷地自我“充電”。對充電系統的技術要求包括：系統小型化、速度與效率提升、空載待機功耗低、充電傳輸損耗小、通用性、安全性與充電可監控等。

隨著儲能產品的多樣發展，目前充電系統技術的主要要求涉及到系統安全、轉換能效、高度集成以及使用便利等方面。例如，多串電池應用需求的發展，便攜式移動設備充電接口的統一，以及無線充電技術的完善等目前較為關注的市場和技術領域都涉及到這些。根據不同的應用場合，對充電系統的要求也有所不同。例如在便攜式應用中，隨著便攜式產品用電需求的增長，大容量的鋰離子電池越來越多地應用于各種便攜式設備，充電技術發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備或者是汽車等應用場合，由于使用了超大容量電池，并且隨著業界對于節能環保的要求，鋰離子電池正在取代傳統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，因此在這一領域，更注重的是如何如何在加快充電速度的基礎上保證充電系統和電池的可靠性。根據這些要求，目前充電系統新的技術開發主要集中在開關充電，無線充電以及電池均衡等技術。而這些技術中，各自涉及到不少的半導體器件，如充電器端的離線開關電源控制器，功率半導體器件，充放電管理芯片、電池監測芯片、功率開關管，電池端的開關充電芯片，電池的均衡保護前端器件，完成保護均衡算法的MCU，有時涉及穩壓保護等半導體產品。意法半導體擁有完整的充電半導體解決方案，包括：微控制器，柵極驅動器，電源管理IC，功率器件（二極管、IGBT、功率MOSFET、電源模塊），運算放大器、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間一直是半導體廠商在電池充電領域所致力改進的方向。對于便攜式應用，主要是使用更高效率的新工藝開關充電器芯片來達到這個高效率和大電流以縮短充電時間；而對于像電動汽車這種大功率的場合，Intersil資深應用工程師李林談及該公司所致力的方向，主要是研究更先進的電源轉換拓撲結構控制芯片來提高充電轉換器的效率，包括正在考慮中的無線充電解決方案。而對于后端系統設計廠商，還可以在接插件方面來下功夫，以減小充電器與電池系統之間的阻抗，提升充電電流來縮短充電時間。

在充電系統中，電源監控，數字電源管理和AC-DC轉換三個部分在充電技術系統中都占有重要地位。AC-DC電源轉換技術的好壞，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用場合，使用新技術可以做出效率更高，功率密度更大的產品，從而降低系統的開發和使用成本，給用戶帶來好處。李林認為這部分是最有改進可能的一部分，恰好這也是Intersil最關注的一部分。意法半導體也認為AC-DC是提升效率最主要的環節，解決方法還包括引進新的半導體材料，如SiC和GaN，隔離的柵極驅動器也會導致更高的效率和系統集成。

TE Connectivity電路保護部應用工程經理郭濤指出，TE電路保護部致力于各類電路保護器件和提供電路保護方案。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計。充電時間主要與鋰電池技術和充電方案有關。在現有鋰電池技術基礎上，縮短充電時間主要采取提高充電電流（最大不超過1C），和減小涓流充電時間來實現。

TI電源管理產品業務發展經理 程文濤特別提到，手機及適配器制造商滿足最新的要求是，歐盟委員會整合性產品政策 （EC IPP） 規定的30mW 以下 5 星級空載功耗標準要求。TI為此推出高效率 UCC28700 反激控制器，其優勢包括原邊調節、恒壓恒流，非常寬的VDD輸入電壓范圍，支持很高的開關頻率，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，某些手機與平板電腦的 5W 和 10W 充電器只支持某一品牌的設備，給當前移動用戶帶來很大困擾。消費者購買新移動設備就需要新的充電器，增加家中適配器的數量，最終產生更多的電子垃圾。TI TPS2511 智能 USB 充電控制器符合 USB 電池充電規范 1.2 版要求，可為系統提供更多充電算法。該產品將電流限制 USB 電源開關與 USB專用充電端口識別電路相整合，可自動檢測 USB 2.0 及 3.0 數據線路電壓，并提供正確的電氣特征，安全地為符合相關標準的設備充電。

電源保護與電源監控

由于充電電池需要反復使用，而且在充電過程中盡管是直流充電，依然會存在一定的瞬態電流，所以充電系統在設計中必須進行一定的電源保護設計，以確保對電池的損傷能降到最低。

郭濤強調，具體到實際應用，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，否則會造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電系統通常采用恒流/恒壓充電模式，即先采用恒定電流充電，電池電壓不斷上升，當上升到門限電壓時充電器應立即轉入恒壓方式（4.1V+50mV），充電電流逐漸減小，當電池充足電時，電流降到涓流充電電流。在電池充電過程中，長時間過充對電池造成的損傷是最為嚴重的事件，極度情況下會引起電池爆炸著火，傷及人身。為了避免此類事故，電源部分通常采用限壓技術或元件，防止過高電壓電源的誤輸入造成充放電管理系統電路的損壞；同時，在電池電極附近安裝聚合物型可恢復正溫度保護器件，在充放電管理系統失效時，起到二次保護作用，防止過充造成電池的毀壞。

除了在充電過程中加入相應電路保護功能，充電過程中還需要通過對電池的電壓及溫度的監測，針對電池的不同狀態，設計合理的充電曲線，來調整不同狀態下的充電電流來降低對電池的損傷。特別是對便攜產品的鋰離子電池充電，如果不進行電池監控，散熱失控（一種電池進入失控反應的狀態）會導致電池的溫度快速升高，最終產生爆炸等嚴重后果，在某些低高溫范圍內應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電量計、模擬前端和二級保護電路，常常用于筆記本電腦應用中。電量計通過 SMBus 向系統提供電池的電池電壓、充電和放電電流、電池溫度、剩余電量以及可運行時間信息，旨在優化系統性能。在各類電源監控電路部分，郭濤認為，可使用TE電路保護部的聚合物型自恢復保護器或者一次型保險絲，防止由于各類操作和組裝失誤造成的電源短路故障。

電源監控同樣也是提升充電效率的一個重要手段，能夠將充電信息傳遞給控制部分，優化充電過程。充電系統中需要監控的參數主要包括充電電流，充電電壓，充電器的溫度，電池的溫度等信息，而這些參數主要是通過ADC檢測節點電壓的方式來實現的，如監控充電電流這一項，由于在大功率應用中，為了達到較高的檢測精度，一般使用精密電阻來進行檢測，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行放大，而這時候電流放大器就特性就會非常重要。

軟件的作用

軟件在充電系統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充作用，使得充電系統的可控性和可移植性變得更強。例如通過軟件算法對充電系統和電池進行監控，可以極大地減少充電解決方案的硬件體積和成本，增強充電系統的可靠性。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的驅動程序，以便系統廠商可以方便快速地進行產品設計，從而縮短系統廠商的開發周期，加快產品上市進程。軟件具有更改靈活、便于擴展，整體費用低等優點。隨著嵌入式軟件的發展，軟體在充電系統中的分量將越來越重。郭濤介紹，TE電路保護部提供業內先進的電路保護器件和完善的保護方案，作為一個被動元件商，現在還沒有進入相關的軟件領域。

新興應用

電動汽車是最近一個非常熱門的應用，而普及電動汽車的諸多技術因素中，充電系統現在是制約其快速發展的重要瓶頸。電動汽車充電系統不僅要求效率和充電時間，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。

大功率電池供電設備不同于單節電池供電系統。由于需要使用多節電池進行各種串并聯，以實現所需的電池功率，使得整個供電單元成為一個復雜的電池組。在這個電池組中任何一節電池芯出現問題，都會導致整個電池組包失效并危害到使用者。如何保證電池組中每一節電池的安全，如何用最經濟的方式實現對每一節電池的監控，如何保證在復雜的電池系統裝配過程中不因各類疏忽或差錯引起無法控制的危害，這些都是與傳統單節電池充電系統的不同和需要考慮的關鍵技術。

同時，這類產品由于其應用的特殊性，對可靠性要求比較嚴格，因此對相應的半導體器件也提出了新的挑戰。李林自信地表示，Intersil在這類產品上有單獨的技術團隊，根據自身的優勢，為這類應用提供高可靠性的解決方案。針對于當下發展最活躍的鋰電池電動車市場，Intersil推出了多個高性能的產品系列和解決方案，如多節電池均衡保護模擬前端產品ISL78600，在提供業界最快的循環電池電壓掃描功能的同時，耗電量低到只有幾十微安， 并且提供業界最靈活的內部寄存器設置幫助客戶實現不同的電池保護算法要求。 再如更具靈活性的基于ISL6754的高效率非對稱全橋ZVS電壓轉換拓撲結構，這種新的架構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的效率提升了一個等級，為節能環保型充電器的入市奠定了堅實的基礎。

除了電動車充電外，無線充電則是消費電子領域的熱門應用，這方面請參考本刊2012年6月相關文章。而另一個值得關注的是太陽能與光伏發電后的充電系統，這個系統的最大不同是直流發電后儲存電能，然后經過DC-AC轉換后如何并入電網，這其中最關鍵的是效率、持續性與兼容性。