使用锂离子电池设计应用时的注意事项

一、简介

与其他电池类型相比，锂离子电池有几个优点：重量轻，锂离子的能量密度通常是标准镍镉电池的两倍。锂离子电池没有记忆效应，自放电比镍镉电池少6~8倍。3.6 伏的高电池电压通常足以从单个电池为应用程序供电。这些特性使锂离子电池在现代便携式电子应用中非常受欢迎。

图1

图 1 显示了几种类型的锂离子和锂聚合物电池，用于不同的应用，容量从 200mAh 到 2800Ah。标准锂离子电池通常使用刚性外壳，而锂聚合物电池通常使用柔性箔式或软包电池外壳，从而减小尺寸和重量。在应用方面，锂离子电池和锂聚合物电池之间的电气特性没有显着差异。

在使用锂离子电池设计应用时，了解电池在充电和放电期间的行为非常重要，以确保安全的应用和最佳的电池寿命。

2. 单节锂离子电池作为电源

当使用单节锂离子电池为您的应用供电时，应用输入范围必须考虑电池的电压波动，对于大多数锂离子电池而言，其范围从 4.2V 完全充电到 3.0V 完全放电。大多数应用都需要某种形式的电压调节。

图 2

图 2 显示了 2000mAh 锂离子电池从完全充电 （4.2V） 到完全放电 （3.0V） 的典型放电曲线。放电率表示为电池容量（C）的比率。在高放电电流下，电池容量不能充分利用，电池内阻会导致电池电压下降。

立锜提供范围广泛的 LDO、降压、升压和降压-升压转换器，它们可以在典型的锂离子电池电压范围内工作。下面是一些示例应用程序。

像RT9063这样的低 I Q LDO可用于以最小的电池负载调节微功率应用的输出电压。1µA 接地电流可确保在低功耗待机模式下将电池消耗降至最低。

图 3. RT9063 -25 用于具有超低待机模式的低功耗应用。

当电池电压接近输出电压时，像RT8059这样的低压降压转换器将在 100% 占空比模式下运行，从而增加电池的可用范围。

图 4. RT8059 3.0V 应用将稳压维持在低至 3.0V 的电池电压。

像RT9276这样的升压转换器可用于在不同的电池电压下产生稳定的 USB 5V 电源，并提供电池电压监控功能。

图 5. RT9276 -50 应用从电池输入提供稳定的 5V。

当输出电压介于电池最大和最小电压范围之间时，可以使用像 RT6150A 或 RT6154A 这样的降压-升压稳压器，并且它们的四个内部开关可以无缝地从降压模式切换到升压模式。

图 6. 当电池电压低于 VOOUT 时，RT6150A 会自动从降压模式切换到升压模式。

恒流升压转换器通常用于使用锂离子电池为 LED 供电。对于非常低的功率水平 （0.2W），使用 RT9361A 等电荷泵。对于更高的功率，可以使用 RT9285B （0.8W） 或RT9293 B （2.5W） 等升压转换器。对于大型显示器的背光照明，可使用RT8532 （6W）等多串升压 LED 驱动器。

图 7. PWM 可调光 RT9285B 应用，用于使用锂离子电池为 4 个 WLED 供电。

一般应用备注：

大多数开关稳压器都提高了轻负载效率，从而增加了轻负载条件下的电池跨度。

锂离子电池对过放电很敏感，这就是为什么许多电池都内置了欠压保护电路，当电池放电到 2.5V 以下时会关闭电池。建议在激活此电池内部保护之前为电池重新充电或断开电池与系统的连接。

在电池安装期间，由于电池连接线和低 ESR 陶瓷输入电容器的谐振，锂离子电池对仅包含陶瓷输入电容器的应用的热插拔事件会导致输入电压振铃。电路设计人员应仔细检查此行为，并确保热插拔事件不会对 IC 输入电路造成电压过载。

3. 电池充电

为锂离子电池充电需要特别小心，因为不正确的充电会导致电池损坏和不安全的情况。大多数锂离子充电器都具有预调节 - 恒流 - 恒压 - 电流切断功能，如下图 8 所示。

图 8

在深度放电的情况下，电池充电器会首先提供一个低预充电电流，以对电池进行正常充电的预处理。这种低预处理电流还可以重置电池内部欠压保护。

在恒流调节模式下，电池以定义的电流充电，通常在 0.5C 和 0.7C 之间（其中 C 是电池容量，以 Ah 为单位）。

当电池电压接近调节电压时（4.2V或4.35V，取决于电池类型）充电电流逐渐下降，充电器将工作在恒压模式。需要精确控制这个最大调节电压，以避免过度充电，这会损坏电池并导致不安全的情况。

当电池电压达到其调节电压且充电电流降至额定充电电流的一定百分比（通常为5～10%）以下时，即认为电池已充满电，然后终止充电。不建议对锂离子电池连续涓流充电，因为这会缩短电池寿命。大多数充电器会在电池电压下降到一定水平（通常低于调节电压0.1~0.2V）以下时开始重新充电循环。

当锂离子电池长时间不使用时，最好将其放电至 40%（~3.7V）左右，以减少其老化效应。

需要监测充电过程中的电池温度，电池温度过高或过低都应停止充电过程。对于大多数锂离子电池，可以在 10°C ~ 45°C 的温度范围内应用正常充电条件。当电池温度低于 0°C 或高于 60°C 时，应停止充电。

立锜拥有从线性到开关类型的各种锂离子充电器。线性充电器拓扑通常用于高达 1000mAh 的电池，而开关充电器用于可通过更高电流 （》1A） 充电的更大容量电池，或者在使用具有更高输入电压的适配器时。

RT9525是一款具有自动电源路径的线性充电器，它允许应用程序从适配器电源运行，但当超过适配器输入电流限制时，它会逐渐回到电池电源。RT9525还包含许多保护功能，如输入过压保护、输出短路保护和负载断开功能。

图 9. 具有自动电源路径的小型电池供电应用的典型RT9525充电器。

RT9451是一款带I 2 C控制的开关充电器，可以灵活选择充电参数和系统控制。开关拓扑在降压模式下允许高达 12V 的输入和 4A 的快速充电电流。开关 MOSFET 还可以设置为升压模式，其中可以从电池向 Vin 引脚提供电流高达 1.6A 的稳定 5V，为 USB-on-the-Go （OTG） 设备供电。RT9451常用于具有较大容量锂离子电池（》 2Ah）的系统，如平板电脑，但也可应用于移动电源，可使用大电流 OTG 功能为外部设备充电。

图 10.为大容量电池充电的典型RT9451应用。

4. 电池电量计

在许多电池应用中，了解电池中剩余的电量非常重要。检查锂离子电池的充电状态 （SOC） 通常通过库仑计数方法完成，该方法测量电池电流随时间的变化，并根据电荷的净增加/减少确定 SOC。这些方法在理论上是准确的，但随着时间的推移会出现累积误差，并且由于电流检测电路而导致电路复杂。

另一种 SOC 测量可以通过基于动态电压的电量计来完成，该电量计随时间测量电池电压，并结合电池模型使用动态电压测量值来计算相对 SOC。这种拓扑结构不受误差累积的影响，可用于 RT9420 和RT9428电池电量计 IC。这些 IC 简单地连接到电池端子，并随着时间的推移非常准确地监控电池电压。他们使用内部算法计算相对 SOC 并通过 I 2将其传回主机微控制器C. 为了获得最佳 SOC 精度，应用电池组需要在设计阶段进行表征：电池特定补偿以及温度和充电/放电效应可以包括在 SOC 计算中。

图 11. RT9428电池电量计应用

图 10 显示了RT9428的典型应用。为了准确测量电池电压，建议将 Kelvin 连接到电池引线。

图 12. 不同放电条件和过充电/放电循环下的 SOC 测量和 SOC 误差。

RT9428可以在各种充电/放电条件和电池周期内实现良好的 SOC 精度。