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  一、充电器基础知识

  电池充电系统的关键元件包括充电器本身，以及报告电池指标的电量计，例如电池的充电状态(SOC)、剩余电量使用时间和电池充满所需时间。电量计可以集成在主机端，或者集成在电池包中(参见图1)。

图1. 电池电量计可以集成在主机端，或集成在电池包中

  集成在电池包中时，电量计需要使用非易失性存储器来存储电池信息。电源路径中的MOSFET监测充电/放电电流，保护电池免于遭受危险状况。MAX17330 是ADI公司提供的电池电量计，内置保护电路和电池充电器功能(参见图2)。

图2. 包含充电MOSFET调节功能的电量计框图

图3. 高压/高电流快速充电系统框图

  充电MOSFET可以精细调节，以实现线性充电器，在充电电源限制为5 V，充电电流在500 mA范围内时，该器件可以独立使用。由于锂电池在99%充电曲线中的充电电压都超过3.6V，因此功耗受到限制。

  在充电器前面连接降压转换器来调节其输出电压，这样就可使用高压充电电源和高充电电流(参见图3)。同时还可以充分减少压降，从而降低充电MOSFET的功耗(参见图4)。

图4. 使用降压转换器来调节输出电压，以高效实现10 A充电电流。图中所示的是MAX20743降压转换器，VIN = 12 V

  在电池包中集成电量计会使电池变得智能，能够用于先进充电场景，实现先进充电功能。例如，电量计可在其非易失性存储器中存储适合电池包中电池的充电曲线参数。因此无需通过主机微控制器单元(MCU)充电。现在，主机MCU仅需管理来自电池包的ALRT信号，根据收到的警报类型增大/降低降压转换器的输出电压。

  CP: 热限制 → 降低电压。

  CT: MOSFET温度限制 → 降低电压。

  Dropout: →增大电压。

  CP是一种标志，当流经保护MOSFET的电流影响散热性能时，该标志置位。CT是一种标志，在MOSFET温度过高时置位。热限制和MOSFET限制设置使用nChgCfg1寄存器组进行配置。

  可编程降压转换器(例如 MAX20743 )使用PMBus®来精细调节输出电流。降压转换器中的集成式MOSFET支持高达10 A的充电电流。此外，由于PMBus使用I2C作为其物理层，可以使用单个I2C总线来管理降压转换器和电量计。

  以下示例展示一种为单个3.6 V锂电池充电的方式。图5显示充电系统中电压和电流的时域形状。具体来说，该图显示了电池电压、电池电流和降压转换器的输出电压。

图5. 单个电池快速给3.6 V锂电池充电

可以看出，降压转换器的输出(VPCK)设置为高于电池电压50 mV。该输出电压会持续增大，以免造成压差，且尽可能降低总功耗。

  二、电池安全管理

  由于快速充电期间的电流很高，OEM必须要确保安全充电。因此，作为整个电池管理的一部分，智能快速充电器必须能够监测多个重要参数。例如，在根据电池制造商规格和建议监测电池温度和环境/室温的情况下，快速充电器可以确定何时降低充电电流和/或降低端电极电压，以确保电池安全，延长电池的使用寿命。

  可以根据温度调节电压和电流，以符合六区JEITA温度设置要求(参见图6)，且基于电池电压进行三区步进充电。

图6. 6区JEITA温度范围

  使用步进充电曲线，根据电池电压改变充电电流，可以进一步延长电池的使用寿命。图7显示使用3个充电电压和3个相应的充电电流的步进充电曲线。可以通过状态机来管理各级之间的转换(参见图7)。

图7. 步进充电曲线，使用状态机来管理各级之间的转换

注意，电流、电压和温度都是相互关联的(参见表1和表2)。

  三、并联充电

  多电池并联充电需要额外管理。例如，当两个电池的电压相差超过400 mV时，充电器必须防止出现交叉充电。只有当最低电池电量太低，无法支持系统负载时，才容许在有限的时间里进行交叉充电(参见表3和图8)。

表1. 充电电流，支持步进充电和JEITA

表2. 充电电压，支持步进充电和JEITA

表3. FET逻辑管理

图8. 为了防止交叉充电，当电池ΔV >400 mV，会阻止电压更高的电池放电

  结论

  将充电和电量计功能从主机端移动到电池包一端，可以单独控制1S2P配置中的每个电池。因此不需要由主机MCU完全管理充电，而是智能充电器本身根据优化充电曲线来管理其输出。由于主机端的管理只是管理电量计生成的ALRT信号，所以系统能够轻松采用不同的电池包。

  必要时，智能充电器还可以阻止充电和放电，以防出现交叉充电。这种方法无需考虑电池不匹配问题，提高了典型快速充电系统的灵活性。借助快速电池充电技术，除了简化设计和整个充电流程之外，OEM还可以充分降低功耗，确保广泛应用的充电和放电安全，并改善用户体验。