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充电技术:停不下“充电”的步伐



  电是20世纪影响人类文明进程中极为重要的一个发现,从早期的电线输电供电,到后来电池的出现,人类社会进入一个全新的文明阶段。

  可反复使用的充电电池,不仅应用更便捷,长期使用成本更低廉,使用的时间更为长久,从节能环保的角度也远比普通电池更有优势。据统计,未来5年内,可充电电池在供电电池市场所占的比例将从现在的45%提升到70%以上,2011年生产95%的电池供电电子设备采用充电电池供电,到2010年仅移动电线亿个。可以说,充电技术几乎伴随着电池供电系统渗透到我们生活中的每个角落,你能想象自己处于一个无法充电世界中的生活吗?

  充电技术包括电池充电、电容充电和电气充电,本文重点讨论电池充电。电池充电是给蓄电池、可充电电池等设备补充电量的过程,其原理是让直流电从放电相反的方向通过,以使电池中活性物质恢复作用。

  典型的充电系统主要包括几个部分,交流到直流的AC-DC转换,直流电压适配器的DC-DC转换,数字电源管理单元,以及电源监控部分和充电保护部分。由于现阶段充电系统和充电电池在不同应用中的尺寸大小、电压和功率、充电时间及充电环境千差万别,所以充电系统的实际组成也相去甚远。比如汽车内的蓄电池充电与现在的电动车电池充电就是完全不同的两个系统,而最常用的锂离子电池充电系统多集中在消费电子应用,尺寸和效率的要求同样重要。

  充电系统结构虽然简单,但是对其系统的技术要求日益苛刻,迫使充电系统不得不随时自我完善。在为一块块电池充电的同时,借助半导体厂商与系统厂商的研发,充电系统也在不断地自我“充电”。对充电系统的技术要求包括:系统小型化、速度与效率提升、空载待机功耗低、充电传输损耗小、通用性、安全性与充电可监控等。

  随着储能产品的多样发展,目前充电系统技术的主要要求涉及到系统安全、转换能效、高度集成以及使用便利等方面。例如,多串电池应用需求的发展,便携式移动设备充电接口的统一,欧洲杯,以及无线充电技术的完善等目前较为关注的市场和技术领域都涉及到这些。根据不同的应用场合,对充电系统的要求也有所不同。例如在便携式应用中,随着便携式产品用电需求的增长,大容量的锂离子电池越来越多地应用于各种便携式设备,充电技术发展的要求是加快充电速度,减小充电方案的体积;而对于大功率的储能设备或者是汽车等应用场合,由于使用了超大容量电池,并且随着业界对于节能环保的要求,锂离子电池正在取代传统的铅酸电池成为主力,由于锂离子电池充电安全性的问题比较突出,因此在这一领域,更注重的是如何如何在加快充电速度的基础上保证充电系统和电池的可靠性。根据这些要求,目前充电系统新的技术开发主要集中在开关充电,无线充电以及电池均衡等技术。而这些技术中,各自涉及到不少的半导体器件,如充电器端的离线开关电源控制器,功率半导体器件,充放电管理芯片、电池监测芯片、功率开关管,电池端的开关充电芯片,电池的均衡保护前端器件,完成保护均衡算法的MCU,有时涉及稳压保护等半导体产品。意法半导体拥有完整的充电半导体解决方案,包括:微控制器,栅极驱动器,电源管理IC,功率器件(二极管、IGBT、功率MOSFET、电源模块),运算放大器、PLM,电能表IC,传感器等。

  提升充电效率和缩短充电时间一直是半导体厂商在电池充电领域所致力改进的方向。对于便携式应用,主要是使用更高效率的新工艺开关充电器芯片来达到这个高效率和大电流以缩短充电时间;而对于像电动汽车这种大功率的场合,Intersil资深应用工程师李林谈及该公司所致力的方向,主要是研究更先进的电源转换拓扑结构控制芯片来提高充电转换器的效率,包括正在考虑中的无线充电解决方案。而对于后端系统设计厂商,还可以在接插件方面来下功夫,以减小充电器与电池系统之间的阻抗,提升充电电流来缩短充电时间。

  在充电系统中,电源监控,数字电源管理和AC-DC转换三个部分在充电技术系统中都占有重要地位。AC-DC电源转换技术的好坏,直接影响充电的效率和可靠性。特别是对中大功率的充电应用场合,使用新技术可以做出效率更高,功率密度更大的产品,从而降低系统的开发和使用成本,给用户带来好处。李林认为这部分是最有改进可能的一部分,恰好这也是Intersil最关注的一部分。意法半导体也认为AC-DC是提升效率最主要的环节,解决方法还包括引进新的半导体材料,如SiC和GaN,隔离的栅极驱动器也会导致更高的效率和系统集成。

  TE Connectivity电路保护部应用工程经理郭涛指出,TE电路保护部致力于各类电路保护器件和提供电路保护方案。提升充电效率主要是提高充电电路的能量利用效率,在满足充电电路正常工作的前提下尽可能采用低功耗设计。充电时间主要与锂电池技术和充电方案有关。在现有锂电池技术基础上,缩短充电时间主要采取提高充电电流(最大不超过1C),和减小涓流充电时间来实现。

  TI电源管理产品业务发展经理 程文涛特别提到,手机及适配器制造商满足最新的要求是,欧盟委员会整合性产品政策 (EC IPP) 规定的30mW 以下 5 星级空载功耗标准要求。TI为此推出高效率 UCC28700 反激控制器,其优势包括原边调节、恒压恒流,非常宽的VDD输入电压范围,支持很高的开关频率,无需光耦反馈电路,宽 VDD 输入电压及迟滞范围,与低 IDD 待机电流支持更小的VDD电容器,而且无需其它外部电路。另一方面,某些手机与平板电脑的 5W 和 10W 充电器只支持某一品牌的设备,给当前移动用户带来很大困扰。消费者购买新移动设备就需要新的充电器,增加家中适配器的数量,最终产生更多的电子垃圾。TI TPS2511 智能 USB 充电控制器符合 USB 电池充电规范 1.2 版要求,可为系统提供更多充电算法。该产品将电流限制 USB 电源开关与 USB 专用充电端口识别电路相整合,可自动检测 USB 2.0 及 3.0 数据线路电压,并提供正确的电气特征,安全地为符合相关标准的设备充电。