远离误区，正确使用锂电池

在大家的印象中，锂电池比较娇贵，需要好好保养，很多朋友也着实下了一番工夫，希望电池能够长期健康地为我们服役。为什么往往事与愿违呢？只要购买正规渠道产品，正常使用，电池绝不会辜负我们的期望，更不会一不高兴就“自爆”与我们同归于尽。一般情况下，电池坏掉或电量总不足的问题，多是由于我们的使用、保养习惯存在问题，只需一点点小的改变，你的生活就会更轻松了。

从镍镉、镍氢，到如今的锂电池，它们的结构与原理都发生了本质上的变化，之前流传下来的使用习惯与经验难免过时，我们不应该再用之前的方法使用锂电池，下面几个常见的坏习惯中，我们有则改之无则加勉。

（1）电池怕热又怕冷

很多人喜欢把手机放在私家车里任其暴晒，或为手机套上厚厚的“衣服”，这些习惯都会损害手机电池的寿命。锂离子在电解液和电极片中的迁移速率与温度密切相关，温度的上下波动会显著的影响锂电池的技术性能（图8）。锂电池的正常使用温度为-20℃～+55℃。当温度降到低于-20℃时，电池中的电解液会凝固，电池的内阻会变得无穷大，电池将无法使用。当温度升高到超过+55℃时，电解液会发生副反应产生大量气体，电极片中的树脂粘接剂也会变质，导致整个电池逐渐老化和衰退，甚至会在短期内失效。

还需要特别注意的是，我们在数码产品中使用的锂电池工作温度一般限制在0℃～40℃，智能手机、数码相机中的锂电池，工作温度最好在5℃～35℃，过高或过低的温度都会使电芯内部无法发挥最佳状态，电量将会不断减少，供电时间不像平时那样长，低温状态下或许还会无法充电。

图08：电池的状态与使用温度息息相关

（2）无需深度充放电

数码产品的说明书上，厂家都会注明锂电池的循环充放电次数，一般是几百次。然而很多人误解了它的含义，认为无论用了多少电量，只要插拔一次充电器就会消耗一次电池寿命，每次都要把电量用尽才肯充电。其实锂电池的一次循环充电，指的是完整一次充放电过程，我们如果仅使用10%电量就去充电，不会有任何不良影响，反而会延迟电池的使用寿命，避免过度放电影响电池寿命。

值得注意的是，循环充放电次数就算到达厂家给定的数值也不意味电池就会损坏，这个数值只是检测电池状态的一个手段，我们没必要纠结于数字。还有人做过实验，将标准的4.2V充电电压改为4.1V，对同一型号电池进行循环充放电测试，最后得到的结果是充放电寿命可以提高60%，换做3.9V进行测试，循环次数可以增加数倍，因此若要延迟使用寿命，正确的作法应该是“缓充”，不是“深充”。

（3）买来就要用

锂电池价格不低，遇到打折时需不需要买上几块备着呢？这显然是不可取的，因为首先锂电池会自动放电，每个月的自放电率约为2%，长时间放置不使用，电池就会因过放而损坏，要是你有很多数码产品，别忘了隔几个月就给它们充一次电，保持40%的电量即可（图9）。很容易被人忽略的是，锂电池是一种易产生自我损耗的产品，随着时间的推移，电池的容量会随着时间推移出现不可逆转的物理性衰减，从你买到手的那一天开始，不管是否使用它都在产生损耗，甚至有的产品一年就达到了10%！这也提醒我们，购买电池时一定要看看出厂日期，陈年旧货最好不要购买。

图09：40%是常见锂离子电池快速自放电和慢速自放电的一个转折点，因此更适于长时间存放使用

（4）别用奇怪的充电器

鸭蛋形的手机旅行充电器，十几元的座充都很常见，它们使用方便，充电速度要还比手机自带充电器更快。但这些充电器没有严谨的电路设计（图10），对所有类型的电池一视同仁。按正规的充电流程，锂电池充电器首先要以恒定电流进行充电，待快充满时转换为恒定电压，电流逐渐减小，持续一段时间后将电池充满。而劣质充电器使用恒定电流方式，锂电池充满后仍然继续尝试充电，如果电池内的保护电路失效，锂电池就有可能鼓胀、漏液，甚至起火爆炸。

电池安全十分重要，我们应选择大品牌的充电器，经过厂商认证授权或口碑出众的产品都十分可靠，在做工或保护电路上都与一般产品有明显不同。

图10：一款低价旅行充电器的内部线路及其简单，缺少保护设计，为了避免出现故障，我们要尽量少用这类充电器

● 我们本应更轻松

杜绝上面提到的有害使用方法，按规则合理使用，可以让锂电池拥有更长的寿命，不过用户间还流传一些不靠谱的“使用技巧”，它们对锂电池寿命没有多少好处，反而会让生活变得更麻烦，下面列举几条，如果你的朋友和家人也有这样的习惯，告诉他们不必再浪费时间啦！

（1）无需“激活”锂电池

购买了新手机，很多人特意要让锂电池的前3次充电过程超过12小时，让电池中的化学物质充分反应、磨合，以达到获取最大电池电量的目的，这个过程被称为“激活”。

这是个流传最广的误区，因为锂电池根本不需要“激活”，锂电池在装配完毕离开生产线后，必须经过一道被称作“化成”的工序（图11）。化成二字是从英文单词“Formation”翻译得来，意思是形成保护膜。化成可以提高电池安全性，因为许多锂电池的负电极成分主要是石墨，导电率很高，即使正负电极间有隔膜绝缘，石墨仍有可能刺透隔膜造成短路。因此产品到达消费者手中前，必须在石墨表面通过化学方法形成一层绝缘保护膜，可以使电池的安全性能大大提高。化成过程中，工厂还会根据电芯的表现进行挑选，区分出不同等级的产品。经过化成工序，锂电池已完全处于最佳状态，等同于完成了激活（图12），用户拿到电池后直接使用即可，有些厂商的说明书中会建议大家先充电再使用，更多的是考虑到电池中只充了一半的电量（原因见上文），怕用户直接使用，待机时间过短造成困扰。

图11：成工序专用测试系统

图12：合格锂电池出厂前都要经过专业设备的“激活”

（2）别迷信“涓流充电”

“涓流充电”是镍镉、镍氢电池时代用户遗留的习惯，是指当充电器显示充满后，继续充电一小时以抵消内阻的干扰，把电池彻底充满。这种方式理论上也适用于锂电池，许多号称能保养电池的软件也会鼓励用户这么做。

可仔细一想，你就会发现对锂电池采用“涓流充电”没什么必要，因为根据充电器控制芯片的不同，检测到电池已充满电后，多数会自动断开停止充电，少部分会进入放电流程。所以在我们额外充电的时间里，其实没做任何有用功，还有可能降低电池的寿命。相反，一旦充电器质量不佳（如低价旅行充电器），电压将会不稳定，容易超过4.2V导致过充。

【小提示】：有很多朋友迷信“涓流充电”导致电池膨胀（图13），我们该怎么办呢？最好的解决方法自然更换新电池，但要是你急着使用，可待电池冷却后，找到电池的空隙，在电池背面靠近充电电极的位置用针戳个小洞，放出里面的空气就行了。但是我们必须要注意，首先一定要在电池冷却后再进行放气，否则会出现危险，甚至可能造成燃烧；其次如果不仅泄出气体，还有其他液体等漏出，那么只能马上放弃这块电池，不要尝试使用；第三漏气后的电池有一定的危险性，寿命也会快速缩减，所以紧急使用一次后必须要更换，不要再次充电和重复使用了。

图13：左侧电池就被充得鼓了起来，不放气没法塞回手机

（3）夜里充电更危险？

尽量不夜间给锂电池充电，似乎已是不少玩家的共识，这种观念最早或许来源于基本的防火意识，毕竟深夜我们都在睡觉，电池万一爆炸引起火灾可不是闹着玩的。也有的人认为是因夜间电压不稳，电池过充所致，但这并非主要原因，因为充电器除了变压作用之外，还会起到稳压作用，就算老城区夜间电压有一定波动，也会被电源适配器缓冲从而得到解决。我们没必要担心因电压引起的充电故障，只要确保使用正规的充电器，不要一边充电一边执行高负载任务即可，尤其玩完游戏应该退出或转入后台，避免由于过热引发故障。

夜间充电不像传说中那样危险，要是你实在担心安全，可以在睡前1～3小时充电，睡觉时拔掉充电器，对一般人来说，此时手机已充的电量其实足够第二天使用了，如夜间没有特殊需求，建议大家更改为“飞行模式”，不进行无线连接的手机和平板电脑耗电量会大大降低。另外因为充电时难免产生一定的热量和升温，所以还是应该养成一些好的条件，例如别把正在充电的手机放在被子或其他保温材料中，也不要在充电器和手机周围堆放易燃物等

（4）充电器不能混用？

由于目前家庭中的数码设备已经很多，且充电接口基本统一，但各种不同的充电器充电电流差别也比较大，从500mA到2A都有，有些人甚至一些厂商都会特别强调一定要使用原配充电器，不能随便拿起就用，否则会造成危险，这是真的吗？

同接口不同电流的典型之一是苹果iPhone和iPad，iPhone的充电器规格是5V/1A，iPad的充电器规格是5V/2.1A，电压相同但是电流足足差了一倍多，但实验证明，不同iOS设备的充电器可以混用，绝不会造成过充或损坏充电器的情况。苹果官方网站也写得清楚：“iPad USB电源适配器是一个10W的充电器。虽然此iPad 10W USB电源适配器设计为供iPad使用，但是您仍可通过其对所有iPhone和iPod机型充电。”

苹果在设计产品时，在针脚上进行了分类设计，电源适配器可以获知接入设备的种类，也就能对负载做出调整。iPad充电器的最大输出电流是2.1A，负载需要多大的电流，它就会在力所能及的范围内提供相应的电流，所以接入iPhone时会提供1A电流，接入iPad时就自动变为2.1A，不会有一丁点危险。而用iPhone充电器为iPad充电时，由于充电器最大电流是1A，所以iPad的充电时间就会延长。

尽管Android设备品牌众多，也没有形成统一的充电标准，但正规厂商的手机充电部分和充电器也都内置了不少识别和安全措施，一些快充方案也都有自己的识别模块，例如使用一些最高9V/2A的快速充电器（图14）给非原配手机充电时，因为没有检测到相应的充电模块，快速充电器并不会强行以高电压高电流充电，而是以更常见的5V/2A或者1A、500mA标准充电，这一标准其实和PC的USB接口电流一样，当然不会对数码设备产生不良影响和危险，否则这一数码设备连接PC都会有问题，显然是自身设计存在很大的缺陷。

总结

尽管我们不断听到各种超级电池、新型电池、新型储能设备的新闻，但在未来很长一段时间里，锂电池都是无可替代的，上游电池厂商会不断追求电池续航能力与安全性，价格也会随着我国电池行业的发展而更平易近人，锂电池安全性会是经久不衰的话题。本次我们简单介绍了一些锂电池的原理和注意事项，希望大家能更安全地使用数码产品，不因个别事件而惧怕锂电池。

硬学｜锂电池供电方案

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上周硬学问题答案：

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上周硬学链接：硬学|滤波—理解旁路电容的作用与PCB设计要点

问题1：

文中提到，在PCB的设计中，若电源距离负载比较远，当负载电流瞬变时，路径上的感性是导致负载电压波动的一个原因。那么如果在PCB设计中，将电源和负载之间的距离控制得很近，是否能完全解决负载电压波动的问题？

回答： 完全依靠电源本身，只能保证频率比较低的负载电流波动所需要的能量补偿，这和电源的环路响应速度有关系。一般电源的环路响应速度在100kHz以内，因此在这个频段之内的负载变化可以依靠电源，但更高频的，电源没有能力做出快速补偿。

问题2：

文中提到，当负载电流瞬变时，能量传输路径上的感性是导致负载电压波动的原因之一。那么，为什么在有的设计中，我们会在能量传输路径上，增加一个电感，以进一步降低负载电压的波动？当增加了这样一个电感，在设计中需要特别注意什么问题？

回答： LC滤波从不同层面看，有不同的作用机制。在能量补偿这个层面，电感对负载的高频能量需求进行了隔离，基于电感的高阻抗，使得这些高频能量需求不能从远方的电源得到满足，这也解决了长链路感性的问题。那么这些能量需求从哪里满足？这就需要依靠电感之后，靠近负载的电容予以帮助。所以在电感之后，距离负载芯片比较近，必须有足够多的电容做本地能量储存源头。

本周公开课：锂电池供电方案

锂电池因具有绿色环保，重量轻，无记忆效应，自放电率低，高低温适应性强等诸多优点，而广泛应用于各种电子产品中。

这里介绍一种基于TP4056的单节锂电池的充电方案 ，并通过简单外围电路 实现过充过放保护，电源自动切换和硬件开关机。

序号 001 TP4056充电方案

图1

图1中4脚为电源输入引脚，8脚为使能引脚，高电平有效（因此直接接到电源）；7脚和6脚，功能分别为充电状态指示和充电完成指示，这两个引脚内部结构均为漏极开漏输出，当它们导通时，对应连接的LED就会通过引脚内部的MOS管形成通路，使LED点亮。正常充电情况下，7脚导通，红灯亮，6脚截止，绿灯灭。充电完成后，7脚和6脚间的逻辑翻转，绿灯亮，红灯灭；5脚为电池正极连接端，芯片通过该引脚对电池进行充电；1脚为温度保护信号输入端，其基本原理为，通过电池内部的NTC（负温度系数热敏电阻，随着温度升高而阻值降低，温度降低而阻值升高）与外部的电阻分压后输入TEMP引脚，当该电压值低于输入电压45%和高于输入电压的80%，充电将被暂停，如果不使用温度检测功能，则可以将该引脚直接接地。2脚为充电电压编程引脚

其中：

IBAT为充电电流

VPROG为编程电压（在预充阶段为0.1V，恒流充阶段为1V）

RPROG为编程电阻，通过Vprog引脚链接到地

例如，如果RPROG = 1200Ω，则预充阶段充电电流为:

0.1/1200*1200=0.1A

恒流阶段充电电流为

1/1200*1200=1A

到此TP4056芯片功能介绍完毕，更加详细的资料可下载其数据手册进行详细了解。

序号002 过放及过充保护

过充和过放保护，从字面意思理解即可，就是避免电池过度放电和过度充电。一般来说，锂电池厂家都会有内置保护电路板，对电池进行过充和过放的保护，这种情况下，我们直接使用TP4056即可；下面将要介绍的使用是没有内置保护板的锂电池而采用的保护方案。

在众多保护方案中，DW01加MOS管为最常见的方案，电路如下

正常状态下，M1，M2均导通，

过充状态下，M2截止，充电回路切断，过放状态下，M1截止，放电回路切断，两种状态实现对电池的过充过放保护；

基于DW01加两个MOS的方案，厂商还推出了内部集成MOS的DW06，相比较而言，DW06外部电路更简单电路图如下

序号003 自动电源切换

该电源切换电路选自于TP4056的数据手册中，下面分析其工作原理

在只有VCC-BAT供电的情况下，由于MOS管Q3的G极被R1拉低到地，则MOS导通，VCC-BAT通过Q3向后级供电；

当USB电源VCC-USB插入后，Q3的G极变为高电平，使Q3截止，VCC-USB通过D1向后级供电；

USB拔除后，Q3导通，供电状态恢复为VCC-BAT供电。

序号 004 硬件开关机电路

一般来说，为了实现对系统的硬件电源切断，会使用直接的机械开关进行控制电源的通断。但是由于机械开关存在着体积较大（不利于小型化设计），且由于磨损导致寿命较短等缺点，按键开关越来越多的被使用，下面介绍一种比较简单的实现电路：

如上图所示

关机状态：由于Q1被R1钳位到高电平，Q1截止，VCC不能向后级供电

开机：长按S2，D2导通，使Q1的G极拉低而导通，VCC通过Q1向后级VCC-SYS供电；VCC-SYS连接MCU电源，MCU通电复位后开始工作，通过控制连接到MCU上面I/O的Power-On，使其为高电平，此时Q2导通，使Q1的G极变为低电平，松开按键S2，只要Power-On引脚电平保持为高电平，系统供电正常供电；

关机流程：开机状态下，长按下S2，MCU通过D2，检测到低电平，累计一定时间后，判定为关机动作，将Power-ON引脚输出低电平，Q1截止，系统断电；

上面所述的电路，可实现系统的硬关机。

上面提到的四个电路，可根据实际情况进行组合调整，应用于电路之中。

本周互动交流

本次公开课的问题是：

如何判断开机充电和关机充电的状态，从而实现关机充电和开机充电的进度指示？

本期礼物：硬功馆学院定制记事本

上周硬学链接：硬学|滤波—理解旁路电容的作用与PCB设计要点

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