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电池快速充电指南——第1部分 虽然更高的电池容量延长了设备的使用时间，但如何缩短充电时间，这给设计人员带来了额外的挑战。快速充电适用于广泛的设备，包括消费电子、医疗和工业应用。本文分为两部分，概要介绍与实现电池快速充电功能相关的挑战。第1部分探讨在主机和电池包之间分隔充电器和电量表，以提高系统的灵活性、尽可能降低功耗，并提升用户的总体体验。此外，还介绍设备包含的监测功能，确保实现安全充电和放电。第2部分探讨使用并联电池实现快速充电系统。 简介 在如今这个移动设备当道的时代，电池寿命是影响用户体验的主要因素之一。在设备内部集成省电技术非常重要，但这只是解决方案的一部分。随着移动设备的功能不断增多，其对电力的要求也不断提高，原始设备制造商(OEM)也尝试大幅提高电池容量，以此延长电池的使用寿命。 例如，1S2P（1个电池串联，2个电池并联）这类架构开始风行，通过使用两个并联电池来提高总电池容量。提高电池容量带来的问题就是充电时间随之延长。为了尽可能缩短充电时间，电池技术不断改善，将充电电流从2C增大到3C或6C（也就是说，xC是1小时内通过电池的额定电流的x倍）。例如，2000 mAh电池在不对电池可靠性产生不利影响的情况下，会消耗最高12 A充电电流。 对于高电流需要特别注意，确保安全充电和放电。将电池并联使用时，开发人员还需要考虑 电阻 和初始容量的不匹配。在本系列文章的第1部分，我们概要介绍在所有类型的设备中提供电池快速充电功能时遇到的挑战，包括消费电子、医疗和 工业应用 。 我们还将探讨如何为高性能1S2P电池充电，如何在主机和电池包之间分隔充电器和电量表，以提高系统的灵活性，尽可能降低功耗，并改善整体用户体验。 充电器基础知识，以及为何电量计位置分区非常重要 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。 压差：→ 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。 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。买电子元器件现货上唯样商城 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）。 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 在本系列文章的第2部分，我们将探讨使用评估套件和树莓派板，使用并联电池实现快速充电系统。 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。 关于ADI公司 Analog Device s, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球 领先 的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。 关于作者 Franco Contadini拥有超过35年的电子行业从业经验。在从事电路板和ASIC设计工作10年之后，他成为现场应用工程师，为工业、电信和医疗客户提供支持，主要负责电源和电池管理、信号链、加密系统和微控制器。Franco撰写了多篇关于信号链和电源的应用笔记和技术文章。他在意大利热那亚I TI S主修电子学。 Alessandro Leonardi是ADI米兰分公司的客户经理。他拥有米兰理工大学的电子工程学士和硕士学位。毕业后，他参加了ADI公司的现场应用培训生项目。

直流快速充电系统：通过LLC 变压器驱动最大限度提高功率密度 在全世界都致力于实现碳中和的同时，电动汽车 (EV) 也在迅速抢占内燃机汽车的市场份额。 然而，电动汽车存在里程焦虑的问题，用户会担心在不充电的情况下EV能够驾驶多长时间。为了解决这个问题，世界各国的政府都在大力投资EV充电基础设施。 【导读】在全世界都致力于实现碳中和的同时，电动汽车 (EV) 也在迅速抢占内燃机汽车的市场份额。 然而，电动汽车存在里程焦虑的问题，用户会担心在不充电的情况下EV能够驾驶多长时间。为了解决这个问题，世界各国的政府都在大力投资EV充电基础设施。 EV充电站类型 目前在用的EV充电站类型多样，从 1 级/2 级 (L1/L2) 充电站，到可提供高达 400kW 功率的直流快速充电 (DCFC) 站（见图 1）。 图1: 电动汽车充电站 EV充电站具体描述如下： •L1/L2:这类充电站可提供交流电为电动汽车充电，电池满电的充电时长通常需 8 小时以上。L1 的充电功率为 3kW 或更低，这意味着车辆每充电1小时可行驶 2 至 10 英里；L2 的额定交流电功率为 3kW 至 19kW，即充电1小时可行驶 10 至 25 英里。 •DCFC:这类充电站可在 40 分钟内将 EV 电池从 20% 充电至 80%，具体取决于充电站本身的额定功率（50kW 至 400kW）和车辆可充电的最大功率。 在住宅或工作场所充电，L1/L2就足够了。但对无法长时间充电的用户来说，DCFC 和超级充电站则是必需的，例如长途旅行中的电动汽车，其电池的全部容量都将被利用。 图 2 显示了在全球范围内用于 L1/L2 交流充电站和 DCFC充电站的不同类型 连接器 。DCFC 很方便，且能够快速补充能量，但其高充电率会比交流充电更快使 EV 电池降级；而L1/L2则是利用了EV中的车载充电器，将交流电转换为直流电为电池充电。但另一方面，DCFC 充电站中包含了所有的电力电子设备将来自电网的交流电转换为直流电，可直接为汽车电池充电。 请注意，特斯拉在欧洲之外的所有市场都为其超级充电站提供专有插头；在欧洲则提供 CCS 2 连接器。 图2: 全球EV充电站连接器 图 3 所示为一个典型的直流快速充电站功能框图，该电路将三相交流电压转换为 250V 至 800V 的直流电压来为电动汽车充电。DCFC 充电站通常包含几个这样的子单元，每个子单元的功率范围从 30kW 到 75kW。 图中还展示出很多可以驱动直流快速充电站的解决方案，包括隔离式栅极 驱动器 、隔离式 电源模块 、 变压器 驱动器偏置和具有集成电源的数字 隔离器 解决方案。 图3: DCFC子单元功能框图 从图 3可以看出，DCFC 系统通常由两个功率转换级组成。第一级为功率因数校正 (PFC) 级，它将来自电网的交流电压转换为介于 800V 和 1300V 之间的中间直流电压总线。PFC 级通常采用三相三电平整流器/逆变器拓扑。这种拓扑的特殊在于可以与三相电网连接的三电平 变换器 。 第二级也称为 DC/DC 级，它通过隔离式 DC/DC 变换器将中间 DC 电压转换为目标电压，用于需要充电的电池。LLC 和相移全桥变换器是 DC/DC 级较为常见的拓扑选择。 设计大功率充电站的部分挑战来自于如何最大化功率密度，如何降低成本并缩小尺寸。提高效率的行业通用方法之一是用碳化硅 (SiC) FET 代替半导体 MOSFET / IGBT 。在 DCFC 充电站功率已从 50kW 增加到 高于400kW 的今天，这种方法尤为重要。 由于 DCFC 系统的高电压和大功率特性，它需要隔离设备来保护用户和低压控制电路免受来自高压电源转换电路的潜在危害与干扰。我们可以利用附加组件来降低这种危害风险： •• SiC MOSFET 和 IGBT 的隔离式栅极驱动器，如 MP18831 和MP18851 •• 数字信号隔离器，如 MPQ27811 和MP27631 •• 隔离式电流采样和电压采样器件，如 MCS1806 和MCS1803 请注意，隔离式栅极驱动器需要隔离式偏置电源来供电，并且栅极驱动器电源必须能够承受高隔离电压。 至少，栅极驱动器电源必须能够承受中间直流总线电压，并且必须提供低隔离电容，以最大限度地降低从高压侧到低压侧的干扰。 为栅极驱动器设计隔离式电源 MPQ18913 是一款用于隔离式偏置电源的变压器驱动器。它可与 SiC FET 配合使用，用作 SiC 栅极驱动器的隔离式偏置电源。隔离式电源通常采用反激拓扑来提供隔离式 18V/-4V 输出，以驱动 SiC FET。图 4 显示了采用 MPQ18913 实现 18V/-4V 输出的典型应用电路。其输出数量可以根据使用的变压器进行配置，输出电压也可通过匝数比进行修改。 图4: MPQ18913应用电路 MPQ18913 可用作 LLC 变换器，这也是隔离式栅极驱动电源最有效的拓扑类型（见图 5）。该拓扑采用了谐振 LLC 回路，其中提供一个磁化电感用于能量传输，还提供额外的电容和电感，使谐振回路以特定频率谐振。变换器利用这种谐振来实现软开关并确保高效率的电源转换。LLC 变换器的主要优势是变压器产生的漏感可用作谐振回路中的 谐振电感 ；这消除了由漏感引起的电压尖峰，与反激式拓扑相比，也提高了效率。 图5: LLC拓扑 以 MPQ18913 为例，与典型的 PSR 反激拓扑相比，LLC 谐振拓扑具有几个明显的优势。其一，LLC 谐振拓扑的开关频率 ((fSW) 高达 10MHz，反激拓扑的开关频率则始终保持在 400kHz 以下；这使得整个LLC解决方案的尺寸比使用类似功率水平的反激式应用缩小 了40%。其二，LLC 谐振拓扑的隔离电压可轻松达到 5kV，而传统反激式解决方案仅达到 1.5kV；因此，LLC 谐振拓扑能够满足更严格的隔离电压要求。 表 1 对 LLC 谐振拓扑和反激式拓扑进行了比较。 表 1：LLC 谐振拓扑与反激式拓扑的比较 买电子元器件现货上唯样商城 结论 高频 LLC 电源通常比低频变换器更难实现、更难优化。但 MPQ18913 等产品则通过自动谐振频率检测和集成晶体管等功能简化了 LLC 电源的设计。而且，LLC 谐振拓扑还减小了解决方案尺寸，提高了大功率充电站的功率密度，非常适合电动汽车充电站应用。随着电动汽车充电基础设施的不断改善，在大功率充电应用以及车载充电器、牵引逆变器和 DC/DC 变换器等汽车应用中用于偏置 SiC FET 的 MPQ18913 值得您的关注。

之前也看到业界对于“快充”存在质疑，比如对于电池寿命的影响，然后也有文章对此进行了分析，专家表示，快充不会影响电池寿命。今天看到TI专家对于快充，慢充的评论分析，供大家来参考一下，同不同意他的观点呢？还得看你怎么看~~     作者：Dave Freeman   急速 (Fast)和快速(quick)这样的词汇带有非常主观的意思。比如，有一次我去看医生比往常到得要早些，接待员说我来得早，可以很快看完病离开。真好，我预计能够及时回去工作，还能赶上一场我原本以为已经赶不上的会。在看完一本《人车志》和一本两年前的《国家地理》杂质后，我才被叫到就诊室。   在看医生之前，我甚至还有时间看完了两本去年的《公路与赛道》(Road Track)杂志。这么长时间足够开完会了……。当我向接待员提出这次看病似乎比我预计的时间要长时，她说这已经是够快的了。好吧，可能我的预估是急速，而最终结果是快速。我认为这其实就是慢速。   在镍镉电池为大多数便携式电子产品的充电电池的时代，我们对不同的充电速度有着不同的术语，对其做了清晰的定义。在“标准”充电速度C/10下，电池从没电到满格需要大约 12小时。该速率下电池不需要充电终止功能。然后是“快速”充电C/3，从没电到满格将近4小时，其需要充电终止。最后是“急速”充电C/2至C，C速率下电池充满只需1小时多一点的时间。该充电速率需要终止功能，而且通常在进入维持充电模式之前需要加足充电。   随着锂离子电池成为便携式充电电源的首选，快速充电现已成为创新的好领域。设备向智能手机和平板电脑的转变平添了更多挑战。一个比较极端的实例是我正在考虑的三星最新平板电脑Note Pro 12.2。该平板电脑采用9500mHr电池，配套提供2A充电器。这就意味着如果用户不插电源使用一整天，肯定会充电一整夜。目前从评论来看，我应该使电池工作10小时以上，才算满意。   回到这类设备的快速充电问题上来，需要设定消费者预期。“快速”或“急速”这样的术语可以用来设定预期。图1是在不同最大充电电流下从不同电量状态(SOC)到充满电所需的时间。从图中可以看出，当从75%的SOC开始充电时，使用2A或3A容量的适配器其实无所谓。充满电需要1.2小时多一点的时间。这是因为在恒定电压模式下充电。因此，如果消费者期望使用急速或快速充电器更快将电池充满电，他们就会感到很失望。   然而，如果从空电量开始充电，那么2A与3A充电速率之间有大约20分钟的差别。这完全在于预期的设定。在一篇Botsford和Szczepanek撰写的论文中，他们提供了慢速、快速、较快速 (rapid) 和急速充电的参数。尽管这篇论文是关于电动汽车的，但指出了对这些术语一致的定义。在这篇文章中，快速慢于较快速，而较快速则慢于急速。这与其它的电池充电术语是一致的。   图1. 从不同电量状态到充满电所需的时间与最大充电电流的对比。   该论文例举了加州空气资源局(ARB)的指令。指令要求急速充电器在充电十分钟后能带来100英里的行驶里程。当然，这意味着汽车要有能够行驶100英里以上里程的电池。   我们可使用相同的概念来表达便携式设备中的急速或快速的寓意。例如，我们可以规定急速充电器在充电30分钟后得到的电池电量应维持至少5小时的设备工作。这只是一个实例，假设急速充电电流为1C的速率，而且电池能支持10小时的普通工作。   我知道提供更快速充电所获得的优势要大于解决实际技术问题所带来的困难。如果我们不能设定预期以评估消费者的看法，那么急速充电可能就没有我们想象的那么有价值。提供一个比当前10W适配器大不了多少的墙式适配器，同时以远小于两倍的成本提供双倍的电源，这绝对会让我们忙个不停。在很多情况下，消费者希望在使用设备的同时对其进行充电，因此就需要更大的电源。要解决在非常纤薄的智能手机和平板电脑中以双倍速率充电而产生的发热问题，需要转换效率的显著提升。   快速或急速，实际就是预期问题。无论是在医生诊断室候诊，是等待家庭成员做好准备外出，还是给我的新平板电脑充电，我的慢速就是有些人的急速。我想知道您就此问题的看法，以及您认为达到快速或急速的挑战是什么。顺便说一下，我都还没提在进行更快速充电时可能造成的容量衰减问题。   如欲了解有关该电源主题以及其他电源主题的更多详情，敬请访问TI《电源之家》： www.ti.com/powerhouse-ca 。   参考资料 Charles Botsford、Adam Szczepanek，《快速充电与慢速充电：崭新电动汽车时代的利与弊》，挪威斯塔瓦格EVS24，2009年5月13 ~ 16日。      

德商Dialog半导体是一家专为智能手机、平板电脑及其他便携式设备开发高性能、高集成度混合信号IC的公司。其传统产品包括手机电源管理IC、语音、无线 / 蓝牙等领域，其电源业务（ LED驱动 、AC/DC、DC/DC等）则是通过收购iWatt公司后得到。日前，在IIC China展会上，该公司展出了应用于这些领域的特色产品。 图1：Dialog半导体展台。 据 Dialog半导体销售经理王自业介绍，相对于触摸唤醒，该公司语音芯片DA7322可通过语音实现对设备的唤醒操作。该产品具有大于95%的识别精度， 对不同语言的支持以及极低的待机功耗（监听模式仅为几mW）。同时其通过与其他DSP功能相结合，可以降低PCB尺寸和BOM成本。 语音唤醒 功能是一项始终开启的功能，相比于仅用处理器实现的语音唤醒方案，采用处理器+DA7322的方案可以在待机时让处理器关闭，仅由DA7322工作，从而降低功耗，延长电池续航时间。 图2：使用语音芯片设计唤醒功能，能够极大延长电池续航时间。 利用DA7322还可以实现波束成形应用，设计3D眼镜。当有多名观众佩戴3D眼镜和立体声耳机观看3D电视时，通过在眼镜周围配置4个麦克，可以实现声音的定向控制。 图3：利用语音芯片实现3D眼镜的语音定向控制。 智 能LED驱动IC iW6401通过配备多个接口，可支持多种调光方案——蓝牙智能调光、无线调光、ZigBee、LEDOTRON/DLT（IEC 62756-1）以及On/Off控制调光。该产品具有调光范围宽（1%~100%）的优点，具有可调配的调光曲线、可选择的功率因数、可配置的降额过温 保护、可调配的短路/开路保护。同时，采用该产品设计产品还能降低使用的元件数量。 图4：Dialog智能LED驱动支持多种调光方案。 SmartBeat 无线音频IC SC14492用于设计无线音箱/耳机产品，它通过1.9GHz射频信号实现无线传输，其中用到的技术主要是TDMA（时分多址）和TDD射频协议。这样 做的好处是不会受2.4GHz的WiFi、蓝牙、ZigBee以及微波炉等的干扰。该芯片数字I2S和USB接口上行速率达48kHz，可实现高清音频播 放。 另一个展出的是基于DA14580的蓝牙智能无线鼠标/键盘方案。该芯片的超低功耗特性，使得采用该芯片设计的鼠标和键盘设备，可在仅使用一节碱性电池的情况下实现长达数年的电池续航时间。另外，该芯片还可用于健康手环设计，小米公司79元的手环就是采用该方案设计的。 最后一个是快速充电适配器解决方案，其中包括两个协议——高通Quick Charge 2.0协议和MTK Pump Express Plus协议。在高通协议方面，Dialog提供的方案是iW626+iW1780，因为该协议需要用到两根电源线和两根信号线，可以根据需求改变充电电 压（5V、9V和12V，手机一般用5V、9V，平板可能用12V电压实现快速充电），输出功率最大能做到~20W左右。 MTK 的方案有两种，一种是降压转换器芯片iW1680配合MTK协议使用。MTK协议只用到两根电源线，iW1680通过检测载波信号，将电压调低，同时将效 率提高，实现对手机的快速充电（最大7.5W）。另一种和高通方案相似，采用iW626+iW1780设计，通过升压实现对手机和平板的快充。另外，他表 示，若客户采用Dialog的方案设计，在过UL认证时，高通就会给他们发放相应的Logo。

东芝宣布已经开发出一种支持快速充电的大巴车，它可以在5分钟内完成锂电池的充电，可惜 这种可以快速充电的汽车并不能开很远的距离，因为要寻找下一个电站或者开回车库充电，它的活动范围只有12公里。因此这种大巴车只能用于短距离的通勤之 用，而装载更大规模电池的型号将在明年出现。