锂离子（Li-ion）电池之父John B.Goodenough因其开拓性工作于2019年获得诺贝尔化学奖，从而成为年龄最大的诺贝尔奖获得者。如今，锂离子电池已被用于人们生活的各个方面，它们让电子设备变得更加轻巧耐用。例如，大多数手机都依靠锂离子电池实现长时间运行、便携性和方便的充电。
因此，有效地对锂离子电池充电以实现最大使用率，这一点非常重要。
如何给锂离子电池充电
首先，让我们分析一下锂离子电池的充电过程。其充电过程可分为四个不同的阶段**：涓流电流充电、预充电、恒流充电和恒压充电**。图1显示了典型锂离子电池的充电曲线。
图1：锂离子电池充电曲线
看起来似乎很简单，实际上在选择电池充电解决方案时需要考虑很多参数。图2显示了选择方案时的四个主要注意事项。
图2：电池充电器设计–关键注意事项
下面将详细介绍这些注意事项：
拓扑
电池充电器系统设计人员必须根据输入电压范围、电池配置、充电电流和其他系统级优先级来选择拓扑（参见图3）。
图3：电池充电器拓扑
例如，大多数便携式设备都通过USB端口充电。USB有两种主要类型：
- USB Type-A: 通常5V@1.5A最大，但可以支持快速充电和其他标准高达12V；
- USB Type-C: 5V@3A最大，但如果支持USB-PD，这可以增加到20V@5A
如果设备通过USB端口充电，则必须始终支持5V工作电压。举例来说，对于串联电池（最大VBATT≥8.4V），请使用升压或降压-升压拓扑。如果设备不是通过USB端口充电，则建议采用降压拓扑，因为输入电压始终超过电池电压。
环路控制
电池管理IC的主要挑战是具有多个控制环路。他们不仅要管理输入电压和电流，还必须管理系统功率、电池充电电流和电压、电池温度以及其他参数（参见图4）。例如，系统经常需要根据电池温度来调节电池充电电流。
图4：电池充电器IC中的各种控制环路
电源路径管理
电源路径管理控制环路根据输入源的电流能力和系统负载的电流要求动态调整电池充电电流。这样可确保系统在使用过量电荷为电池充电时接收到所需的电流。
图5：电池充电器系统架构
电池充电器根据其特性分为三种典型的架构。
第一种为电源直供，架构将电池直接连接到系统电源，它要求电池电压达到最小系统电压才能工作。
第二种称为旁路模式，它采用外部开关来管理电池充电和系统路径。
第三种架构为NVDC电源路径管理。与前两种架构相比，它具有以下优点，因此更常用：
- 最小系统电压调节使用低压电池可瞬间启动
- 系统始终跟随电池电压，以减小系统各部件的电压应力。
- 当输入功率有限时，电池可以作为系统的补充。
- 系统可以从电池断开，以支持运输模式
图6显示了NVDC充电器的充电曲线。
图6：带NVDC功能的锂离子电池充电曲线
当电池电压相对较低时，系统电压被调节至最低工作点（图6中的VSYS_REG_MIN）。当电池电压接近VSYS_REG_MIN时，电池电压和系统电压会彼此紧密跟踪。因此，无论电池状态如何，系统电压总是保持在一个窄范围内。图7显示了实际应用中的曲线图。
图7：典型充电曲线（工作条件：VIN = 16V, VBATT 从0V开始爬升， ICHG = 1.84A, ISYS = 1A)
反向工作
上面讨论的电池充电器操作均使用输入源为电池充电或为系统供电。实际上还可以反向操作，如USB On-the-Go（OTG）功能。具有USB OTG功能的电池充电器允许设备的内部电池通过设备输入端口为设备供电。
MP2731电池充电IC
当应用需要NVDC电源路径管理和OTG功能时，MPS提供的MP2731电池充电器IC可以完全满足需求（见图8）。
图8：MP2731原理图和主要特性
MP2731是一款全集成电池充电器，它支持上述的充电模式，并具有高效率和出色的散热性能。
图9：高效率和散热性能
随着锂离子电池越来越多地应用于现代电器和系统中，不断评估使它们更高效、更具成本效益变得更加重要。在众多的架构和充电器选择中，MPS的MP2731等产品可以帮助您简化设计流程。