普源可編程直流電源應(yīng)用
智能手機，無人機，電動汽車等等都離不開電池供電。不管是有線的充電還是無線的充電，終都是通過外部的充電裝置為手機提供電能，再通過手機內(nèi)部的電源管理電路為電池進行充電。手機內(nèi)部都有電源管理和充電控制電路，外部的手機充電器是為其提供一定的電壓電流，內(nèi)部的充電電路會根據(jù)外部充電設(shè)備以及內(nèi)部電池的情況對輸入的直流進行二次轉(zhuǎn)換，再以一定的電壓和電流對手機內(nèi)部的電池進行充電。想搞清楚充電技術(shù)，也很有必要了解一些有關(guān)鋰電池的特性。
· 鋰電池的特性概述
我們常用的鋰電池其實是屬于鋰離子電池，鋰離子電池目前有液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類。那種比較厚重的筆記本里常用的鋰電池和特斯拉電動汽車?yán)镉玫匿囯姵氐碾姵匦径际?8650尺寸的液態(tài)鋰離子電池(LIB)，DS6系列數(shù)字示波器和DSA1000系列頻譜儀的電池板內(nèi)部使用的也是。多個電池芯通過串并聯(lián)以及電池管理組合成高電壓，大電流的電池組；手機等常用的鋰電池是聚合物鋰離子電池(PLB)。液態(tài)的能量密度要高一些，聚合物的不存在漏液的問題，也更容易做成各種形狀的鋰電池。
鋰電池的正極和負(fù)極采用的材料有多種，目前普遍使用的陰極材料是石墨，陽極的材料則有若干種，采用不同的材料，電池輸出的電壓電流特性也不同。
越來越多的手機的電池變成了不可拆卸，雖然也可以拆開換電池，增加了拆機的復(fù)雜度，除了為了追求輕薄設(shè)計之外，貌似還要希望讓手機電池的壽命與用戶換新手機的速度同步？不知您是否對電池的使用時間敏感，我反正是，不然就不會出于愛好琢磨這些事兒了。為了進一步搞清楚有關(guān)手機充電的那些事兒，我專門自購了一塊三星NOTE2手機電池，在電池的正負(fù)極的金屬觸點上焊接測試線來做些實測（控制不好，可能存在危險，不建議嘗試）。
先看看這塊鋰電池上標(biāo)出的3個重要參數(shù)，如1所示：
額定容量：3050mAh；
標(biāo)稱電壓: 3.8V；
充電限制電壓:4.35V；
1：手機鋰電池的主要參數(shù)
理解這些參數(shù)的含義很重要，其實不只是這3個參數(shù)，經(jīng)過一番學(xué)習(xí)之后，我對鋰電池的一些重要參數(shù)進行了歸納總結(jié)如下：
· 額定容量，指的是在特定的環(huán)境溫度，按照某一放電倍率把電池放電至終止電壓所能提供的容量。有相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)，比如我國的《蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》規(guī)定了在環(huán)境溫度為20℃±5℃條件下，分別以0.2C和1C的倍率放電至終止電壓時所應(yīng)提供的電量，單位為Ah(安培小時)或mAh(毫安小時)。
· 3050mAh：意味著如果以3050mA的電流放電，可以放電1小時，稱為1C放電倍率；如果以1525mA的電流放電，可以放電2小時，稱為0.5C放電倍率；如果以620mA的電流放電，可以放電5小時，稱為0.2C放電倍率。
· 標(biāo)稱電壓:由于鋰電池的放電曲線不是線性的，會有一個維持時間比較長的電壓比較平坦的區(qū)域，對于這塊電池來講的工作電壓是3.8V。通常過了這段區(qū)域，比如到了3.5V以后，電壓和電池的容量都會跌落很快。
· 充電限制電壓:電池充足電時，極板上的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，會影響電池的壽命，甚至?xí)邪l(fā)生爆炸的危險，必須加以限制，此時的電壓稱為充電終止電壓。對于這塊鋰離子電池來講是4.35V。
· 電池的內(nèi)阻：越小越好。溫度越低，內(nèi)阻越大；放電越深，內(nèi)阻越大；隨著充放電次數(shù)的增加，內(nèi)阻也會逐漸變大，會直接影響電池的可用容量。同一廠家的不同電池之間的電阻會有10%到15%左右的偏差，不同制造商之間的電池也有10%到15%左右的偏差，所以，那種由多個單體電池通過串并聯(lián)組成的高電壓達(dá)容量的電池模塊，內(nèi)部的各個CELL之間的平衡是很重要的。
· 電池的自放電率：充滿電的電池即使不用，過段時間容量也會損失，自動損失的電量占總?cè)萘康陌俜直?。一般在常溫下鋰離子電池自放電率為5%左右。
小小的一塊手機用鋰電池，涉及到很多領(lǐng)域的技術(shù)。對于一些網(wǎng)上流傳的“想當(dāng)然的說法”，如果能了解一些相關(guān)知識，會有助于搞清楚到底是怎么回事兒。
· 鋰電池的充放電需要高精度控制
既然鋰電池有這么多的特點，也存在著安全問題，充放電都要嚴(yán)格控制。除了手機內(nèi)部有電源管理電路，在手機電池的內(nèi)部，也有過充電壓保護，過放電壓保護，過電流保護，短路保護電路和溫度監(jiān)測電路。電池內(nèi)部的電壓，電流的保護監(jiān)測要求高精度，外部的充電電壓也要求高精度，所以要求手機內(nèi)部提供給電池充電的電壓精度要達(dá)到5%左右，這需要高精度的電源管理芯片來保證。
由于一些線性直流電源具有低紋波噪聲，高精度，高分辨率的特點，而且還具有過壓，過流，過溫保護等功能，適合做這種驗證測試，下面我就以一臺DP831A為例，取代手機的內(nèi)部和外部的充電電路，直接為這款手機電池進行充電測試。
· 鋰電池充電實測
手機對鋰電池的充電過程主要分為幾個階段：預(yù)充階段，恒流充電階段，恒壓充電階段，充電完成階段，如2所示。
2：手機對鋰電池的充電過程
接下來，我利用一臺線性直流電源DP831A代替手機充電器+電源管理電路，直接對手機鋰電池進行充電，通過微測來驗證這個過程。我把這塊手機電池的正負(fù)極焊接了引線，接到了一臺DP831A的通道1的輸出端子上，如3所示。
3：使用直流電源對手機電池進行直接充電
考慮到這款電池的充電限制電壓是4.35V，這是非常重要的，不可超過這個電壓。我先將這臺DP831A的通道1的輸出電壓設(shè)置為4.2V, 0.8A。為了保險起見，也設(shè)置了過壓保護為4.3V，過流保護為1A。接通開始充電！此時從DP831A的顯示上可以看到它工作在CC模式，也就是恒流模式！當(dāng)前的屏幕顯示：3.905V，0.799A，輸出功率是3.120W。此時相當(dāng)于用0.27C對電池進行充電。提高充電電流，將通道1的輸出設(shè)置改為4.2V，1.0A，此時看到DP831A仍然工作在CC模式，也就是恒流模式！當(dāng)前的屏幕顯示是：3.948V，0.998A，3.940W。此時相當(dāng)于用0.33C對電池進行充電。3.94W的輸出功率大于上面的3.12W的輸出功率，此時的充電速度應(yīng)該更快些。
不想去觸及電池的保護，為了保險起見，接下來還是用0.6A對其進行充電吧。將通道1的輸出設(shè)置為4.2V，0.6A，相當(dāng)于用0.2C的倍率對電池進行充電，此時看到DP831A工作在CC模式，也就是恒流模式！當(dāng)前的屏幕顯示是：3.880V，0.598A，2.320W。
DP831A不只是一臺直流電源，它還具有內(nèi)置的測量，記錄，分析等功能，我也同樣可以通過DP831A的錄制器功能記錄一下手機電池的整個充電的全過程。其實，在上面所述的改變電流之前，我已設(shè)置好錄制器，并已打開，把上面的幾個不同設(shè)置情況下的實際輸出的電壓，電流，功率值都已經(jīng)記錄下來，存儲在一個指定的文件里；然后再通過分析器調(diào)出記錄的文件，進行數(shù)據(jù)的分析，得到充電電流變化的波形，中的幾個上下起伏的波動就是我前面設(shè)置不同的充電電流導(dǎo)致的。
由此看出：如果是使用直流電源直接對電池進行充電而不是間接，在安全的情況下，充電器/電源的大輸出電流越大，用越大的電流對電池進行恒流充電，充電速度就越快。就像水龍頭打開得越大，往池子里注水的速度就越快一樣。
經(jīng)過了一段時間的充電之后，電池逐步被充滿，此時，我們看到DP831A的顯示是：4.196V, 0.582A, CV模式。也就是說DP831A根據(jù)設(shè)定的輸出參數(shù)和作為負(fù)載的電池的當(dāng)前情況，已經(jīng)自動地由恒流模式切換到了恒壓模式，在繼續(xù)對電池進行恒壓充電。我把DP831A的輸出電壓值設(shè)置到4.35V, 因為電源和電池內(nèi)部的保護電路都有一點誤差余量，發(fā)現(xiàn)電池的保護功能沒有啟動，我也不想去試讓它保護。DP831A的通道1又從恒壓狀態(tài)自動回到了恒流模式，繼續(xù)對電池進行恒流充電。又經(jīng)過了一段時間的充電之后，電池進一步被充滿，此時，我們看到DP831A的顯示是：4.346V, 0.508A, 2.208W，CV模式，也就是說DP831A根據(jù)設(shè)定的輸出參數(shù)和電池的當(dāng)前情況，已經(jīng)自動地由恒流模式切換到了恒壓模式，繼續(xù)對電池進行恒壓充電。不敢再升高充電電壓了，就讓它繼續(xù)以恒壓模式充電，又過了一段時間之后，DP831A的顯示電壓是4.347V，電流是0.086A，功率時0.374W，充電電流已經(jīng)很小，可以結(jié)束充電了。
如前所述，可以利用像DP831A這種純凈的線性直流電源，由于它還具有錄制器，分析器，監(jiān)測器，觸發(fā)器等功能，可以還好地完成邊充電，邊記錄的工作。
我這次的實測也利用了它的標(biāo)配的“錄制器”功能，對整個充電過程進行了記錄。事先設(shè)置好錄制器的錄制周期，記錄數(shù)據(jù)的路徑和文件名。針對充電這種應(yīng)用，我設(shè)成了10秒的錄制間隔，經(jīng)過一段時間之后，充電結(jié)束。我通過“分析器”將這期間所錄制的電壓，電流以及功率值調(diào)用出來進行顯示，可以看到它們各自的變化曲線，還可以通過標(biāo)尺讀出每個記錄點的數(shù)值，正如本文前面提到過的，通過這個測試，可以清楚地看到由恒流充電到恒壓充電的整個變化過程。
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