计算机和通信技术的发展使得手持导航产品得到越来越广泛的应用。手持导航产品在提高功能与改善性能的同时，体积变得更加小巧，因此必须缩小供电电池和具有电池管理功能的充电器所需空间。锂离子电池凭借其优势更适合于手持导航产品应用的电源。针对锂离子电池的特性以及实际使用环境的需求，对导航产品充电电路的设计提出了更高的要求。因此在充电电路的设计中需要综合考虑性能、成本、体积、效率等因素。

1 锂离子电池特性

和其他电池相比，锂离子电池在诸多方面占优势：他可以提供更高的能量密度(可高达200 Wh／kg或300～400 Wh／L)和更高的电池电压(炭阳极电池为4.1 V，石墨阳极电池为4.2 V)，无记忆效应，具有更长的充电保持时间以及更长的充电周期。为了有效利用锂离子电池容量，延长电池寿命，必须极其严格地控制和合理选择充电参数，如电流、电压和温度等。电压精度对提高电池的效率和延长电池的寿命具有非常重要的作用。过充电短期内会增加电池的可用电量，但长期来说则会导致电池失效，缩短充电周期，并可能导致安全问题。欠充电尽管不会引起安全问题，但是会大大降低电池的容量。

普通锂离子电池的等效电路如图1。锂离子电池的等效电路一般被看作是-一个具有极高容量且内部漏电电阻为RLeakage的电容器。电池导线与电芯本身之间的电阻和电感分别用有效串联电阻(ESR)和有效串联电感(ESL)表示。这些参数是电池的机械结构和特殊化学成分的函数。电池的ESR介于50～200 mΩ之间，而ESL是nH量级。

2 电池充电电路

锂离子电池的充电方法有很多种，最简单的充电器为恒定电压(CV)充电器。他由一个电流有限制的恒定电压源组成，该电压源连接到电池端子。电流被限制为低于电池容量，并且其输出电压被调节到电池端接电压(碳阳极电池为4.1 V，石墨阳极电池为4.2 V)。CV充电是一个相对节省成本的方法，但是这种方法要求很长的充电时间。由于在电池充电期间充电电源电压保持恒定，充电电流降低得很快，因而充电速率也降低得很快。这样，电池就只是在比其能够接受的低得多的电流强度下进行充电。

一种更快的充电方法是恒流／恒压(CC／CV)充电，结构如图2所示。当开始充电时，CC／CV充电器首先施加一个等价于电池容量C的恒定电流。为防止在恒流充电周期中过充电，需要监视电池封装两端的电压。当电压上升到给定的终止电压时，电路切换到恒压工作模式。即使电池封装两端的电压达到终止电压，但因为在ESR上存在电压降，所以实际的电池电压将低于终止电压。

在恒流充电期间，电池能以接近其终止电压的高电流速率充电，且不会有任何被施加高电压和发生过充电的危险。经恒流充电后，电池的容量将达到其额定值的约85％。在恒流周期结束后，充电器切换到恒压周期。在恒压周期，充电器通过监视充电电流来决定是否结束充电。与恒压充电器一样，当充电电流减小到电池的0.1 C以下时充电周期结束。尽管实现CC／CV充电方法需要更加复杂的电路，但因为他可以显著减少充电时间，所以各种不同的CC／CV充电方式在锂离子电池充电应用中居于主导地位。理想的充电器必须能检测所有可能的电池故障模式，并有针对性地进行充电。之前忽略了电池温度，如果锂离子电池的温度超出指定的温度范围，那么给他充电将是不安全的。目前，所有充电器都必须跟踪电压的变化，而CV／CC充电器甚至需要跟踪电流和电压。我们在提高充电器效率和延长电池寿命的同时不能忽略潜在的安全问题，这使我们越来越需要更智能的充电操作。

为防止因意外把反向电压施加到电池上，所有锂离子电池包都包含一些复杂的电路。一般来说，保护功能包括防止过放电、过充电、过大的充／放电电流以及避免电池被施加高电压。在电池的充电或放电期间，如果任何参数超过了特定电池设置的限制值，电芯与电池终端之间的连接将断开。通常，当反向电压被撤除或者电池被预置之后，经过一段时间，充电器将会复位。

3 充电IC的组成

性能良好的锂离子电池充电IC内部由下述几部分组成：电源电路(他由开关型或线性电源组成)，包括恒流源(其精度一般为5％左右)及恒压源(0.75％～1％精度)；电流限制电路(可由用户外设一个电流检测电阻来设定)；电池电压检测电路；电池温度检测电路；充电器指示电路(一般用LED来指示)；安全定时器电路；基准电压源(高精度)、多个电压比较器以及逻辑控制电路、关闭控制电路等。

4 应用举例

LTC4054-4.2是凌特公司的一款锂离子电池充电芯片，他是专为单节锂离子电池充电需要设计的采用CC／CV算法的线性充电器。他能够提供达800 mA的充电电流，也可以从USB端口取电工作。用他设计的充电电路所需外围元器件少，且其超小型的封装，特别适合手持设备应用。LTC4054-4.2的典型应用如图3所示，该电路可由5 V适配器或USB供电，并有充电状态指示，恒流充电时的电流可通过Rprog来设置，其完整充电循环如图4所示。

正常充电循环为：当VCC引脚电压升至UVLO(欠压闭锁)门限电平以上且在PROG引脚与地之间连接了一个精度1％的设定电阻器或当一个电池与充电器输出端相连时，一个充电循环开始，其充电流程见图5。如果BAT引脚电平低于2.9 V，则充电器进入涓流充电模式。在该模式中，芯片提供约1／10的设定电流，以便将电池电压提升至一个安全的电平，从而实现满电流充电。当BAT端电压上升超过2.9 V时充电器进入恒流充电模式，以编程设定的电流对电池充电。当BAT端电压接近最后的充电电压4.2 V时LTC4054-4.2进入恒压充电模式，充电电流开始减小。当充电电流下降到充电电流设定值的1／10时充电周期就结束。充电周期终止后，LTC4054-4.2会继续监测BAT端的电压，当电池电压降至4.05 V时充电循环重新开始，这确保电池被维持在一个满充电状态，并免除了进行周期性循环启动的需要。

手持导航产品的应用中，在功能增加和体积减小的同时，要求电池能支持更长的导航时间。因此需要选择高能量密度的锂离子电池并且缩小电池管理功能的充电电路所需空间。

图6为LTC4054-4.2应用于某款手持GPS产品的电源电路框图。

该电路由5 V墙上适配器或者USB供充电。无外电情况下，电池通过电源监控芯片的控制，单独给系统供电。当上外电后，电源监榨电路监测到外电信号，断开电池对外电路的供电，而外电对电源电路供电的同时通过LTC4054-4.2对电池进行充电，外电指示电路将外电上电信号发送到CPU。上外电后用LTC4054-4.2的#CHRG端和VCC，GND间分别加电阻和LED来显示电池未满、电池充满的状态。实际电路结构紧凑，运行性能良好，可以低成本地实现高性能充电。

5 结 语

锂离子电池广泛应用于手持设备，电池充电电路的设计和选择不仅要满足快速充电，而且综合要考虑性能、成本和体积。为提高性能，充电电路还采用了MCU／CPU控制，通过充电电路的硬件软化、智能化、总线化使电路体积和功能得到很多改善，而且与电源供电芯片实现集成(如LTC3455集成了双路DC／DC和充电功能)来减小尺寸，也是今后的发展方向。