中心議題：
- 電池充電系統(tǒng)
- 鋰離子電池的安全性
- 安全性更高的電池充電器設(shè)計(jì)
解決方案：
- 系統(tǒng)級(jí)充電前端 （CFE） 的安全設(shè)計(jì)
電池供電的便攜式裝置，如手機(jī)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾M成部分。許多類(lèi)型的適配器可用來(lái)為鋰離子（Li-ion）電池充電，并為系統(tǒng)供電，而各制造商的電氣規(guī)格通常是不同的。這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師構(gòu)建便攜式裝置提出了要求，在采用不同適配器時(shí)均符合安全和可靠性需求。介紹了一種新型電池充電器前端（CFE）器件，即德州儀器（TI）公司的bq243xx,該器件專(zhuān)門(mén)做了優(yōu)化，以提高鋰離子供電系統(tǒng)的安全性。充電系統(tǒng)將電池充電器器件、保護(hù)模塊和bq243xx CFE集中在一個(gè)電池盒內(nèi)，提供更強(qiáng)大的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。
電池充電系統(tǒng)
圖 1 是典型電池充電系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)輸入為 AC 墻式適配器提供的 DC 電源或 USB 接口等提供的 DC 電源。典型的電池充電系統(tǒng)包括充電前端 （CFE）、電池充電器以及電池組。CFE 保護(hù)集成電路 （IC） 集成輸入過(guò)壓、過(guò)流及電池過(guò)壓保護(hù)機(jī)制，可提高電池供電系統(tǒng)的安全性。電池充電器 IC 可調(diào)節(jié)電池充電電壓及電流，并監(jiān)控電池溫度，從而可延長(zhǎng)電池使用壽命，提高安全性。了解鋰離子電池的特性對(duì)設(shè)計(jì)安全性更高的充電系統(tǒng)非常重要。
圖 1：典型的電池充電系統(tǒng)
鋰離子電池的安全性
輸入過(guò)壓、輸入過(guò)流、電池電壓過(guò)大或反向輸入電壓都可能導(dǎo)致充電系統(tǒng)損壞。帶電插拔適配器或適配器使用不當(dāng)會(huì)引起輸入過(guò)壓；瞬時(shí)過(guò)壓或穩(wěn)態(tài)過(guò)壓也會(huì)導(dǎo)致輸入過(guò)壓。對(duì)正在充電、非穩(wěn)壓的適配器進(jìn)行帶電插拔，適配器使用不當(dāng)或負(fù)載瞬變是最常見(jiàn)的引發(fā)過(guò)壓的事件。空載時(shí)非穩(wěn)壓適配器將對(duì)適配器的輸出電容充電，充電至整流輸入電壓的峰值，約為額定直流電壓的1.4倍。這對(duì)于"低壓制程"（ V工藝）的器件來(lái)說(shuō)往往會(huì)造成問(wèn)題。圖1為典型穩(wěn)壓適配器輸出電壓與非穩(wěn)壓適配器的負(fù)載曲線。輸入過(guò)流不會(huì)導(dǎo)致獨(dú)立式充電器損壞，因?yàn)樗鼈兊暮愣娏髂Ｊ较拗屏溯敵龌螂姵仉娏鞔笮 Ｈ欢?，電源路徑管理器件的輸入與系統(tǒng)總線電壓直接相連，通常未有針對(duì)大電流的保護(hù)機(jī)制。近來(lái)，設(shè)計(jì)人員對(duì)限制電流模式下工作的適配器安全性給予較多關(guān)注，并期望能借助于可編程電流限制電路來(lái)確保適配器不進(jìn)入限流模式。
眾所周知，高溫下鋰離子電池和鋰聚合物電池組過(guò)充電，就可能發(fā)生"爆炸起火".產(chǎn)生過(guò)充電的主要原因是電池電壓過(guò)高。為了提高電池的安全性，許多制造商都加入了二級(jí)過(guò)壓保護(hù)以在檢測(cè)到電池電壓過(guò)高時(shí)移走輸入電源。采用通用連接器時(shí)，應(yīng)注意反極性適配器是否連接到輸入。若沒(méi)有輸入反極性保護(hù)，襯底和集成電路間的寄生二極管將成為正向偏置，造成器件故障或損壞。實(shí)現(xiàn)輸入反極性保護(hù)的兩個(gè)基本解決方案如圖2所示。第一種解決辦法是在輸入端串聯(lián)一只二極管，以阻止反向電流。不過(guò)，這將導(dǎo)致功耗增加。第二種解決辦法是在輸入端串聯(lián)一只低RDS（ON）的MOSFET,盡量減少功耗。
圖 2：電池?zé)岷纳?/p>
安全性更高的電池充電器設(shè)計(jì)
圖 3 是常用鋰離子電池的充電示意圖。鋰離子電池充電包括三個(gè)階段：預(yù)充階段、快充恒流 （CC） 階段以及恒壓 （CV） 終止階段。在預(yù)充階段，電池在低速率下充電。電池單元電壓低于 3.0 V 時(shí)，其充電速度通常是快速充電速率的十分之一。鈍化層在深度放電狀態(tài)下長(zhǎng)期存儲(chǔ)后可能溶解，這樣可使其逐漸恢復(fù)。此外，部分銅分解出現(xiàn)在過(guò)放電的陽(yáng)極短路電池單元上時(shí)，預(yù)充電還可防止在 1oC 充電速率（一個(gè)小時(shí)內(nèi)就可使電池完全放電的電流）下出現(xiàn)過(guò)熱情況。
預(yù)充電安全定時(shí)器可避免長(zhǎng)時(shí)間給電量耗盡的電池充電。一般說(shuō)來(lái)，電池單元電壓達(dá)到 3.0 V,充電器就會(huì)進(jìn)入 CC 階段?？焖俪潆婋娏魍ǔＯ薅ㄔ?0.5 至 1C 之間，以避免過(guò)熱導(dǎo)致電池加速退化。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)乃俣?，確保電池溫度不超過(guò) 45oC,然后在快充速率下進(jìn)行電池充電，直至電壓達(dá)到調(diào)節(jié)限度（對(duì)基于 LiCoO2 的陰極而言通常是每單元 4.2 V）。充電器開(kāi)始調(diào)節(jié)電池電壓并進(jìn)入 CV 階段，這時(shí)充電電流會(huì)呈指數(shù)地下降至預(yù)定終止水平，結(jié)束電池充電。
[page]
電池充電電壓的準(zhǔn)確性對(duì)電池使用壽命及安全性都非常重要。更高的電池充電電壓可提高充電容量，但是會(huì)縮短電池使用壽命，如圖 4 所示。對(duì)于容差為 ±2.5% 的電池充電電壓而言，充電電壓可能會(huì)達(dá)到 4.3 V,這會(huì)導(dǎo)致熱耗散及安全性問(wèn)題。為了避免電池高溫充電，提高安全性，充電器 IC 必須監(jiān)控電池組的溫度。只有當(dāng)電池溫度在安全范圍內(nèi)（通常是 0 到 45oC）時(shí)，電池才能充電。電池組中的熱敏電阻通常用于這一用途。此外，通常需要快充安全定時(shí)器來(lái)避免電量耗盡電池過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的充電。一旦安全時(shí)間一過(guò)，即便電池還沒(méi)有達(dá)到充電終止電流狀態(tài)，電池充電器也必須關(guān)閉。
高度集成的線性電池充電器廣泛用于單體鋰離子電池充電，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、低成本以及小型化優(yōu)勢(shì)可充分滿(mǎn)足便攜式設(shè)備的需求。其設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是在保持電池充電器處于安全溫度工作范圍內(nèi)的同時(shí)，還要消除和最大限度地減少所產(chǎn)生的熱量。最新開(kāi)發(fā)的、具有熱調(diào)節(jié)功能的電池充電器可在最大限度提高充電速率并盡可能縮短充電時(shí)間的同時(shí)，解決上述散熱問(wèn)題。
圖 3：鋰離子電池充電示意圖
圖 4：LiCoO2 陰極鋰離子電池的充電電壓和使用壽命之間的關(guān)系
線性充電器只可將適配器的 DC 電壓降至 電池電壓水平。線性充電器的功耗計(jì)算如下：
（等式 1）
當(dāng)充電器從預(yù)充向快充模式轉(zhuǎn)變而功耗又達(dá)到最高時(shí)，輸入電壓與電池電壓之差就會(huì)很大。例如，如果用 5V 適配器為 1200mAh 鋰離子電池充電，當(dāng)充電電流為 1A、電池電壓為 3.2V 時(shí)，最大功耗就等于 1.8 W.采用 3′3 毫米 QFN 封裝，熱阻抗為 47oC/W 時(shí)，這種功耗會(huì)使溫度升高 85oC.接點(diǎn)溫度會(huì)超過(guò)所允許的最大工作溫度值（45oC 環(huán)境溫度下為 125oC）。要確保良好的散熱設(shè)計(jì)，在充電啟動(dòng)時(shí)使接點(diǎn)溫度保持在安全范圍內(nèi)，這是一項(xiàng)難度很大的工作。充電過(guò)程中隨著電池電壓的升高，功耗會(huì)逐漸下降。
[page]
我們?nèi)绾尾拍艽_保充電器運(yùn)行在安全溫度工作范圍內(nèi)，同時(shí)改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)呢？bq2408x 與 bq2403x 等更多高級(jí)電池充電器引入了熱調(diào)節(jié)環(huán)路來(lái)避免充電器過(guò)熱。內(nèi)部芯片溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度閾值時(shí)，比方說(shuō) 110oC,任何進(jìn)一步的 IC 溫度提升都會(huì)降低充電電流。這樣即可限制功耗，也可提升充電器的熱保護(hù)。導(dǎo)致 IC 接點(diǎn)溫度達(dá)到熱調(diào)節(jié)水平的最大功耗取決于 PCB 布局、散熱通路的數(shù)量以及環(huán)境溫度（見(jiàn)圖 5）。
熱環(huán)路工作時(shí)，充電電流會(huì)達(dá)到充電終止閾值，這樣會(huì)導(dǎo)致充電的錯(cuò)誤終止，因?yàn)闊嵴{(diào)節(jié)功能通常是在快充的早期階段啟動(dòng)。為了避免錯(cuò)誤的充電終止，只要熱調(diào)節(jié)環(huán)路處于工作狀態(tài)，就要禁用電池充電終止。此外，有效充電電流也會(huì)降低。這會(huì)延長(zhǎng)電池充電時(shí)間。這樣，充電安全定時(shí)器可能會(huì)因?yàn)楣潭ò踩〞r(shí)器而錯(cuò)誤終止。bq24085 采用可自動(dòng)放慢安全定時(shí)器時(shí)鐘頻率的動(dòng)態(tài)安全定時(shí)器。動(dòng)態(tài)定時(shí)器控制電路可有效延長(zhǎng)安全定時(shí)器的持續(xù)時(shí)間，從而最大限度地減少安全定時(shí)器由于熱調(diào)節(jié)所引起的故障幾率。
圖 5：bq24085 的典型應(yīng)用電路
系統(tǒng)級(jí)充電前端 （CFE） 的安全設(shè)計(jì)
我們?nèi)绾翁岣呦到y(tǒng)級(jí)充電的安全性和可靠性？我們可采用許多不同的適配器為便攜式設(shè)備供電，但不同的制造商往往采用不同的電氣規(guī)范，這就為構(gòu)建便攜式設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了技術(shù)挑戰(zhàn)，他們?cè)谑褂貌煌m配器時(shí)必須滿(mǎn)足各種安全要求。具體技術(shù)挑戰(zhàn)包括輸入過(guò)壓、輸入過(guò)流、電池過(guò)壓以及反向輸入電壓等，這些問(wèn)題都會(huì)造成系統(tǒng)損壞。
適配器熱插入、適配器錯(cuò)誤、瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)過(guò)壓等問(wèn)題都可能導(dǎo)致輸入過(guò)壓。適配器熱插入時(shí)，線纜電感與系統(tǒng)輸入去耦電容器之間的共振會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓。對(duì)于獨(dú)立充電器而言，輸入過(guò)流可能不是什么問(wèn)題，因?yàn)楹愣娏髂Ｊ綍?huì)限制提供給輸出或電池的電流量。不過(guò)，就輸入到系統(tǒng)有直接電源路徑的 bq24070 等電源路徑管理電池充電器而言，在上拉電流過(guò)大時(shí)很難得到保護(hù)。最近，人們擔(dān)心工作適配器在電流限制模式下可能出問(wèn)題，希望可編程輸入電流限制電路能夠阻止適配器進(jìn)入該模式。鋰離子/鋰聚合物電池組如果在高溫下充電過(guò)度，可能會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的燃燒現(xiàn)象。充電過(guò)度的一個(gè)重要標(biāo)志就是電池單元電壓升高。越來(lái)越多的制造商都在尋找可確保電池組安全性與合規(guī)性的安全措施。要提高電池安全性，可添加二級(jí)過(guò)壓保護(hù)來(lái)移除輸入電源。在檢測(cè)電池過(guò)壓時(shí)關(guān)閉 CFE 功率 MOSFET 就可完成這一操作。
圖 6 是典型系統(tǒng)級(jí) CFE 電路的示意圖。高電壓保護(hù) CFE 可將高輸入電壓與低壓充電器及系統(tǒng)相隔離，以便系統(tǒng)免受高壓侵害。這種 IC 集成所有安全特性，包括輸入電流限制與保護(hù)、輸入電壓保護(hù)以及電池過(guò)壓保護(hù)等。無(wú)論出現(xiàn)何種故障情況，CFE 都會(huì)關(guān)閉 MOSFET 實(shí)現(xiàn)適當(dāng)保護(hù)，進(jìn)而提高整體系統(tǒng)安全性。
圖 6：典型的系統(tǒng)級(jí) CFE 電路
總結(jié)
過(guò)充分考慮電池特性、充電器 IC 設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)級(jí)安全注意事項(xiàng)設(shè)計(jì)安全性更高的電池充電系統(tǒng)非常重要。配合 CFE、電池充電器 IC 以及電池組的安全保護(hù)機(jī)制，充電系統(tǒng)可進(jìn)一步提升穩(wěn)健的安全性能。CFE完全集成了輸入過(guò)壓、輸入過(guò)流、電池過(guò)壓和反向輸入極性保護(hù)，可以顯著提高電池供電系統(tǒng)的安全性。
