电池充电基础知识
锂离子充电器IC是调节电池充电电流和电压的器件，常用于手机、笔记本电脑和平板电脑等便携式设备。与其他化学物质相比，锂离子电池是能量密度最高的电池之一，每个电池单元可提供更高的电压和更高的电流，而无需在电池充满电后进行涓流充电。然而，锂离子电池没有记忆效应，这意味着它不会“记住”在完全耗尽之前还剩下多少电量。锂离子电池必须使用特殊的恒流恒压 (CC-CV) 充电模式进行充电，该充电模式可自动根据电池温度和电压水平进行调整。
充电曲线
充电曲线是锂离子电池的一个基本特征，它描述了电池电压和电流如何随着电池充电而变化。为简单起见，充电曲线可以用图表表示，x 轴为时间，y 轴为电池电压或电池容量。该曲线提供了对电池安全特性以及如何优化电池充电的深入了解。MP2759A是MPS公司提供的一款高度集成的开关充电器IC，专为1至6节串联锂离子或锂聚合物电池应用而设计。图 1 显示了 MP2759A 的充电曲线。
图一：MP2759A充电曲线
锂离子电池遵循相对常见的充电模式，详见下文。请注意，如果充电器 IC 提供可配置性，设计人员将能够为这些充电阶段设置自己的阈值。阈值可配置性很有用，因为大多数电池制造商只为不同的最大充电电流水平设置相同的阈值。可配置的阈值提供额外的安全层，以保护电池免受可能永久损坏电池或降低其容量的过压、过热条件和过载的影响。
涓流充电：涓流充电阶段通常只在电池电压低于很低的水平（约2.1V）时使用。在这种状态下，电池组的内部保护 IC 可能由于深度放电或过流事件而断开电池。充电器 IC 提供小电流（通常为 50mA）对电池组的电容充电以触发保护 IC，关闭其 FET 以重新连接电池。虽然涓流充电通常只持续几秒钟，但充电器IC仍然需要集成定时器。如果在一定时间内没有重新连接电池组，定时器将停止充电，因为这表明电池已损坏。预充电：一旦电池组重新连接或处于放电状态，即进入预充电阶段。在预充电期间，充电器 IC 开始以较低的电流水平为电量耗尽的电池安全充电，通常为 C/10（C 是以 mAh 为单位的容量）。预充电会缓慢增加电池电压。其目的是以低电流水平为电池安全充电，以防止电池损坏，直到其电压达到更高水平。恒流 (CC) 充电：恒流 (CC) 充电也称为快速充电阶段，将在下面详细介绍。预充电后开始恒流充电，一旦电池电压达到每节3V左右，恒流充电开始。在恒流充电阶段，电池可以安全地处理 0.5C 到 3C 之间的较高充电电流。恒流充电一直持续到电池电压达到“满”或浮动电压水平，然后进入恒压充电阶段。恒压 (CV) 充电：锂电池的恒压 (CV) 阈值通常为每节电池 4.1V 至 4.5V。充电器 IC 在恒流充电期间监控电池电压。一旦电池达到恒压充电阈值，充电器 IC 就会从恒流调节转变为恒压调节。当充电器IC检测到外接电池组的电压超过电池组内实际电池电压时，开始进行恒压充电。这是由于保护 FET 和电池的内部电池电阻、PCB 电阻和等效串联电阻 (ESR)。充电器 IC 不应允许电池电压超过其最大浮动电压以确保安全运行。充电截止：在恒压充电阶段，当流入电池的电流低于设定阈值（大约 C/10）时，充电器 IC 终止充电周期。此时，电池被认为充满电，充电完成。如果充电器IC的充电截止功能被禁用，充电电流自然会衰减到0mA，但实际中很少这样做。因为在恒压充电过程中进入电池的电荷量呈指数下降（因为电池电压像一个大电容器一样增加），所以在容量增加很小的情况下充电需要很长时间。电池被认为充满电并且充电完成。如果充电器IC的充电截止功能被禁用，充电电流自然会衰减到0mA，但实际中很少这样做。因为在恒压充电过程中进入电池的电荷量呈指数下降（因为电池电压像一个大电容器一样增加），所以在容量增加很小的情况下充电需要很长时间。电池被认为充满电并且充电完成。如果充电器IC的充电截止功能被禁用，充电电流自然会衰减到0mA，但实际中很少这样做。因为在恒压充电过程中进入电池的电荷量呈指数下降（因为电池电压像一个大电容器一样增加），所以在容量增加很小的情况下充电需要很长时间。
由于输入电流限制、输入电压限制、热调节或电池温度等各种环路调整，任何时候的实际充电电流都可能低于编程值。有关电池安全的更多信息，请参阅下面的安全部分。
快速充电
谈到快速充电，关键是要根据电池制造商的规格来确定电池可以处理的电流。例如，电池的“C-Rate”指定电池可以充电和放电的最大电流。典型的 C 倍率通常在 0.5C 和 3C 之间，具体取决于所使用的特定电池，并且通常需要在更高的 C 倍率和更低的能量密度之间进行权衡。比如3000mAh的电池，C倍率为1C，意味着电池最大可以充电3A。通常，电池制造商还会为 C-rate 指定不同的电压和温度范围，C-rate 在较低电压或较高/较低温度下会降低。
如果电池具有更高的 C-rate，它可以处理更多电流并更快充电。例如，对于智能手机和笔记本电脑等便携式设备而言，C 倍率更高的电池比可能需要每天至少充电一次的无线扬声器更有用。通常快充对于运行时间短，需要连续使用的设备来说绝对是首选。了解电池的 C 倍率可以帮助设计人员确定如何优化他们的解决方案，从而使他们能够选择最适合其电池的充电器 IC 拓扑结构和安全功能。
恒流 (CC) 充电阶段，也称为快速充电阶段，通常取决于电池的电压阈值。MP2731 更为独特，将其快速充电阶段定义为电池电压超过预充电阈值且小于其恒压充电阈值的时间间隔。在第一个快速充电阶段，电池 FET 使用快速充电电流为电池充电。一旦电池电压超过新的阈值，电池 FET 就被认为完全导通。
如何选择合适的充电器IC
选择合适的电池充电器 IC 系统时要考虑的最重要参数包括：电池组中串联的电池数量、输入电压 (VIN) 范围、充电电流和系统电源路径管理。这些参数决定了充电电路所需的电源转换类型（开关或线性），以及为系统电压轨供电所需的其他功能，例如窄电压直流 (NVDC) 电源路径管理。这些因素直接决定了充电器IC拓扑结构的选择。简而言之，充电器IC拓扑由以下基本参数决定：
对于输入电压为5V、充电电流小于或等于500mA的单节电池组，线性充电器IC更为合适。单节电池组的最大电压通常在 4.2V 和 4.5V 之间。请注意，线性充电器 IC 的最大电流可能高于或低于预期，具体取决于系统设计和热性能。如果充电电流超过500mA，建议使用开关充电器IC。此充电器IC也常用于电压大于或等于5V的USB应用。通常有三种开关充电器 IC 拓扑可供选择，具体取决于 VIN 和最大电池电压 (VBATT)。如果VIN低于最大VBATT，选择升压充电器IC；如果VIN大于或等于VBATT，选择降压充电器IC；如果 VIN 大于，小于或等于VBATT电瓶车充电器电路图，选择升降压充电器IC。下面将给出这些拓扑结构的更详细描述。电池组电池配置
在电池配置方面，根据电池组中物理串联的电池数量和充电器 IC 的输出电压 (VOUT) 范围，电池充电器 IC 分为单节电池或多节电池充电器 IC。
单体电池输出功率较低，体积较小，通常最大放电电流在1C~3C之间（如1Ah=1A~3A）。这意味着单节电池充电器 IC 通常适用于手机、手表和耳机等较小的移动设备。多个堆叠电池可以提供更多电力，通常用于需要更多电力的大型系统，例如笔记本电脑、扬声器、移动电源和无人机。但是，电池组中并联的电芯数量通常不会影响充电器IC的选择，因为并联不影响电压。
输入电压 (VIN) 范围
大多数消费电子产品都由 USB 端口供电，该端口必须至少支持 5V。随着 USB 标准的发展以支持用于 USB Power Delivery (PD) 的新型 USB Type-C 连接器，最大允许电压也增加到 20V。根据USB PD规范的Extended Power Range (EPR)，这个电压会进一步提高到48V。从充电系统设计的角度来看，充电器 IC 必须支持的 VIN 范围和功率必须在充电时为下游轨供电。如果系统需要的总功率小于15W，可以使用5V标准USB Type-C；如果总功率超过 15W，则在使用 USB 连接器时，还必须使用具有更高 VIN 和 USB PD 的解决方案。
对于 USB 应用，充电器 IC 必须向后兼容 5V 电压。使用具有 1 个以上串联电池的电池组会增加充电器 IC 的成本和复杂性，因为其拓扑结构必须支持宽输入电压范围（例如降压-升压拓扑结构）。使用非 USB 连接器（即筒形插孔连接器），系统设计人员通常可以自由选择 VIN，而不管是否支持其他电压电平。这对于设计来说更简单且更具成本效益，但对于最终用户来说可能会带来不便，因为他将不得不需要一个只与一种产品兼容的特殊壁式充电器。
充电电流
设计人员还需要考虑充电电流及其对充电器 IC 拓扑选择的影响。如果充电电流小于或等于 500mA，使用线性充电器可以降低成本和尺寸。但是，对于更高的电流，建议使用开关充电器，因为它们可以降低功耗并提高效率；然而，与线性充电器相比，开关充电器需要一个电感器，因此会占用额外的电路板空间。
例如，通过 1A、5V USB 输入充电，不建议使用线性充电器。如果使用线性充电器，在快充阶段开始时，电池电压为3V时，充电器IC有2V的压降，会产生2W的功耗。线性充电器只适用于充电电流小的小型电池，而开关充电器适用于处理较高的充电电流。
系统电源路径管理 (PPM)
电源路径管理 (PPM) 功能根据输入源电流能力和系统负载的电流要求调节电池充电电流。它帮助系统微控制器 (MCU) 或片上系统 (SoC) 获得足够的电力，同时还能够使用多余的电流为电池充电。常见的电源路径管理选项如下所述。
没有电源路径管理的简单充电器 IC（电池直接供电）
没有电源路径管理的简单充电器 IC电瓶车充电器电路图，电池直接连接到系统，充电器 IC 只有一个输出，即电池。在这种情况下，必须先将电池充电至最低系统电压，然后才能为产品供电。如果电池深度放电，可能需要额外的充电时间，对于可以一边充电一边??使用产品的应用，用户体验会很差。对于没有电源路径管理的简单充电器，优点是简单且 BOM 成本较低。
MP26029是一款具有温度调节功能的单节锂离子/锂聚合物电池充电器IC（见图2）。其片上充电 MOSFET 用作全功能线性充电器 IC，具有预充电、恒流 (CC) 充电、恒压 (CV) 充电、充电截止和自动再充电功能。内部偏置电路由 IN 或 BATT 引脚中较高的一个供电。MP26029 还提供一个 ISET 引脚以启用或禁用充电，以及一个状态指示引脚以报告设备正在充电、充电完成或充电暂停。
图 2：具有 5V 输入或选项电源路径管理（旁路模式）的 MP26029 典型应用电路
对于 OR 选项电源路径管理（也称为旁路模式或直通方法），外部开关管理电池充电和系统路径。这种方法优化了能量存储容量，并在电池出现故障时提供保护。OR 选项电源路径管理遵循两个基本原则：
使用 OR 选项时，电源路径管理系统必须能够承受 VIN。同时，系统电压 (VSYS) 不受调节。此外，在这种拓扑结构中，由于两个电源轨是分开的，因此电池无法为系统电源补充额外的电流。然而，这个问题可以通过使用窄电压直流 (NVDC) 电源路径架构来缓解，如下所述。
MP2759 是一款锂离子/锂聚合物电池充电器 IC，具有电源路径管理和 OR 选项，适用于 1 至 6 节串联电池，并支持具有不同电池调节电压的多种电池化学组成。MP2759 采用 QFN-19 (3??mmx3mm) 封装，能够根据电池的电压和电流在四个充电阶段之间切换，包括涓流充电、预充电、恒流充电和恒压充电. 该器件可以在电池电量耗尽时通过 OR 电源路径为系统供电，同时提供保护功能，例如使用 JEITA 配置文件的电池温度监控和电池过压保护 (OVP)。
MP2759 的外部 P 沟道电池 MOSFET 支持用于电源路径管理的 OR 选项。其电池 FET 的栅极由 IN 引脚信号驱动。当没有输入源时，电池 FET 将电池连接到系统；当连接输入源时，电池 FET 关闭，输入源通过不同的 MOSFET (Q1) 为系统供电。此外，输入电流限制功能可通过降低充电电流来防止输入源过载（见图 3）。
图 3：OR 选项电源路径管理窄电压直流 (NVDC) 电源路径管理
窄电压直流 (NVDC) 电源路径管理是一种常用方法，具有以下几个优势：
借助 NVDC，充电器 IC 可以提供两个独立的输出（一个来自系统，一个来自电池），允许充电器 IC 将系统电压调节至高于电池电压。NVDC 还提供运输模式选项。在运输模式下，当没有 VIN 时，可以禁用位于电池和系统节点之间的内部电池 FET，从而完全断开电池与系统输出的连接。此功能可有效消除产品未使用时的系统电流消耗，从而延长电池寿命。
MP2733 是一款高度集成的开关模式电池充电器 IC，适用于单节锂离子和锂聚合物电池应用。该器件提供 NVDC 电源路径管理，是平板电脑、无线相机、智能手机和便携式设备的理想选择。NVDC功能可以分别控制系统和电池，在启动时给予系统优先权，系统也可以在电池缺失或深度放电时启动。如果输入电源可用，即使电池电量耗尽，系统电压也会调节到其可调最小值 (VSYS_REG_MIN)。NVDC 架构由前端降压 DC/DC 转换器和位于 SYS 和 BATT 引脚之间的电池 FET 提供支持。图 4 显示了 MP2733 的 NVDC 结构。