一、簡介

與其他電池類型相比，鋰離子電池有幾個優點：重量輕，鋰離子的能量密度通常是標準鎳鎘電池的兩倍。鋰離子電池沒有記憶效應，自放電比鎳鎘電池少6~8倍。3.6 伏的高電池電壓通常足以從單個電池為應用程序供電。這些特性使鋰離子電池在現代便攜式電子應用中非常受歡迎。

圖1

圖 1 顯示了幾種類型的鋰離子和鋰聚合物電池，用于不同的應用，容量從 200mAh 到 2800Ah。標準鋰離子電池通常使用剛性外殼，而鋰聚合物電池通常使用柔性箔式或軟包電池外殼，從而減小尺寸和重量。在應用方面，鋰離子電池和鋰聚合物電池之間的電氣特性沒有顯著差異。

在使用鋰離子電池設計應用時，了解電池在充電和放電期間的行為非常重要，以確保安全的應用和最佳的電池壽命。

2. 單節鋰離子電池作為電源

當使用單節鋰離子電池為您的應用供電時，應用輸入范圍必須考慮電池的電壓波動，對于大多數鋰離子電池而言，其范圍從 4.2V 完全充電到 3.0V 完全放電。大多數應用都需要某種形式的電壓調節。

圖 2

圖 2 顯示了 2000mAh 鋰離子電池從完全充電 （4.2V） 到完全放電 （3.0V） 的典型放電曲線。放電率表示為電池容量（C）的比率。在高放電電流下，電池容量不能充分利用，電池內阻會導致電池電壓下降。

立锜提供范圍廣泛的 LDO、降壓、升壓和降壓-升壓轉換器，它們可以在典型的鋰離子電池電壓范圍內工作。下面是一些示例應用程序。

像RT9063這樣的低 I Q LDO可用于以最小的電池負載調節微功率應用的輸出電壓。1μA 接地電流可確保在低功耗待機模式下將電池消耗降至最低。

圖 3. RT9063 -25 用于具有超低待機模式的低功耗應用。

當電池電壓接近輸出電壓時，像RT8059這樣的低壓降壓轉換器將在 100% 占空比模式下運行，從而增加電池的可用范圍。

圖 4. RT8059 3.0V 應用將穩壓維持在低至 3.0V 的電池電壓。

像RT9276這樣的升壓轉換器可用于在不同的電池電壓下產生穩定的 USB 5V 電源，并提供電池電壓監控功能。

圖 5. RT9276 -50 應用從電池輸入提供穩定的 5V。

當輸出電壓介于電池最大和最小電壓范圍之間時，可以使用像 RT6150A 或 RT6154A 這樣的降壓-升壓穩壓器，并且它們的四個內部開關可以無縫地從降壓模式切換到升壓模式。

圖 6. 當電池電壓低于 VOOUT 時，RT6150A 會自動從降壓模式切換到升壓模式。

恒流升壓轉換器通常用于使用鋰離子電池為 LED 供電。對于非常低的功率水平 （0.2W），使用 RT9361A 等電荷泵。對于更高的功率，可以使用 RT9285B （0.8W） 或RT9293 B （2.5W） 等升壓轉換器。對于大型顯示器的背光照明，可使用RT8532 （6W）等多串升壓 LED 驅動器。

圖 7. PWM 可調光 RT9285B 應用，用于使用鋰離子電池為 4 個 WLED 供電。

一般應用備注：

大多數開關穩壓器都提高了輕負載效率，從而增加了輕負載條件下的電池跨度。

鋰離子電池對過放電很敏感，這就是為什么許多電池都內置了欠壓保護電路，當電池放電到 2.5V 以下時會關閉電池。建議在激活此電池內部保護之前為電池重新充電或斷開電池與系統的連接。

在電池安裝期間，由于電池連接線和低 ESR 陶瓷輸入電容器的諧振，鋰離子電池對僅包含陶瓷輸入電容器的應用的熱插拔事件會導致輸入電壓振鈴。電路設計人員應仔細檢查此行為，并確保熱插拔事件不會對 IC 輸入電路造成電壓過載。

3. 電池充電

為鋰離子電池充電需要特別小心，因為不正確的充電會導致電池損壞和不安全的情況。大多數鋰離子充電器都具有預調節 - 恒流 - 恒壓 - 電流切斷功能，如下圖 8 所示。

圖 8

在深度放電的情況下，電池充電器會首先提供一個低預充電電流，以對電池進行正常充電的預處理。這種低預處理電流還可以重置電池內部欠壓保護。

在恒流調節模式下，電池以定義的電流充電，通常在 0.5C 和 0.7C 之間（其中 C 是電池容量，以 Ah 為單位）。

當電池電壓接近調節電壓時（4.2V或4.35V，取決于電池類型）充電電流逐漸下降，充電器將工作在恒壓模式。需要精確控制這個最大調節電壓，以避免過度充電，這會損壞電池并導致不安全的情況。

當電池電壓達到其調節電壓且充電電流降至額定充電電流的一定百分比（通常為5～10%）以下時，即認為電池已充滿電，然后終止充電。不建議對鋰離子電池連續涓流充電，因為這會縮短電池壽命。大多數充電器會在電池電壓下降到一定水平（通常低于調節電壓0.1~0.2V）以下時開始重新充電循環。

當鋰離子電池長時間不使用時，最好將其放電至 40%（~3.7V）左右，以減少其老化效應。

需要監測充電過程中的電池溫度，電池溫度過高或過低都應停止充電過程。對于大多數鋰離子電池，可以在 10°C ~ 45°C 的溫度范圍內應用正常充電條件。當電池溫度低于 0°C 或高于 60°C 時，應停止充電。

立锜擁有從線性到開關類型的各種鋰離子充電器。線性充電器拓撲通常用于高達 1000mAh 的電池，而開關充電器用于可通過更高電流 （》1A） 充電的更大容量電池，或者在使用具有更高輸入電壓的適配器時。

RT9525是一款具有自動電源路徑的線性充電器，它允許應用程序從適配器電源運行，但當超過適配器輸入電流限制時，它會逐漸回到電池電源。RT9525還包含許多保護功能，如輸入過壓保護、輸出短路保護和負載斷開功能。

圖 9. 具有自動電源路徑的小型電池供電應用的典型RT9525充電器。

RT9451是一款帶I 2 C控制的開關充電器，可以靈活選擇充電參數和系統控制。開關拓撲在降壓模式下允許高達 12V 的輸入和 4A 的快速充電電流。開關 MOSFET 還可以設置為升壓模式，其中可以從電池向 Vin 引腳提供電流高達 1.6A 的穩定 5V，為 USB-on-the-Go （OTG） 設備供電。RT9451常用于具有較大容量鋰離子電池（》 2Ah）的系統，如平板電腦，但也可應用于移動電源，可使用大電流 OTG 功能為外部設備充電。

圖 10.為大容量電池充電的典型RT9451應用。

4. 電池電量計

在許多電池應用中，了解電池中剩余的電量非常重要。檢查鋰離子電池的充電狀態 （SOC） 通常通過庫侖計數方法完成，該方法測量電池電流隨時間的變化，并根據電荷的凈增加/減少確定 SOC。這些方法在理論上是準確的，但隨著時間的推移會出現累積誤差，并且由于電流檢測電路而導致電路復雜。

另一種 SOC 測量可以通過基于動態電壓的電量計來完成，該電量計隨時間測量電池電壓，并結合電池模型使用動態電壓測量值來計算相對 SOC。這種拓撲結構不受誤差累積的影響，可用于 RT9420 和RT9428電池電量計 IC。這些 IC 簡單地連接到電池端子，并隨著時間的推移非常準確地監控電池電壓。他們使用內部算法計算相對 SOC 并通過 I 2將其傳回主機微控制器C. 為了獲得最佳 SOC 精度，應用電池組需要在設計階段進行表征：電池特定補償以及溫度和充電/放電效應可以包括在 SOC 計算中。

圖 11. RT9428電池電量計應用

圖 10 顯示了RT9428的典型應用。為了準確測量電池電壓，建議將 Kelvin 連接到電池引線。

圖 12. 不同放電條件和過充電/放電循環下的 SOC 測量和 SOC 誤差。

RT9428可以在各種充電/放電條件和電池周期內實現良好的 SOC 精度。