鋰離子電池充放電安全及電池檢測設(shè)計

　　手機的鋰離子電池充電安全性日益受到消費者重視，因此充電器制造商在設(shè)計產(chǎn)品時，須掌握鋰離子電池的相關(guān)規(guī)格和特性，并使用具備完善電池檢測及保護功能的充電芯片，以降低過電流、過電壓或過溫等狀況所造成的危險。

　　隨著科技進步、生活質(zhì)量提升，電子產(chǎn)品的蹤跡到處可見，其中又以手機為人類生活中不可或缺的必需品。不論是早期黑金剛手機或現(xiàn)今功能強大的智能手機，皆需要電源才能運作。

　　早期手機的電池主要有二種，一是鎳氫、鎳鎘電池,二是鋰離子電池，但現(xiàn)在使用鎳氫、鎳鎘電池來做為電源的手機，已經(jīng)是非常的少見，絕大部分都是使用鋰離子電池，尤其消費者希望手機待機時間更長，且體積要更小，所以鎳氫、鎳鎘電池已經(jīng)慢慢不能符合消費者的期望而被淘汰。 雖然鎳氫、鎳鎘電池在價格以及替代電池取得的便利性優(yōu)于鋰離子電池，在其他電子產(chǎn)品上仍舊可看到鎳氫、鎳鎘電池的蹤跡;但是，在體積、重量及容量方面，鎳氫、鎳鎘電池皆不如鋰離子電池，所以現(xiàn)今標(biāo)榜著輕薄短小的電子產(chǎn)品，幾乎都是使用鋰離子電池。

　　智能型手機因其功能強大、屏幕耗電量大，更是需要電池容量大及電力更耐久的鋰離子電池。當(dāng)手機電池電量不足時，使用者通常會以充電器或搭配一組移動電源隨時對電池進行充電。

　　體積/容量兼具 鋰離子電池為電子產(chǎn)品首選

　　充電電池依其材質(zhì)的不同可分為四類：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。

　　

 

　　表1 充電電池比較表

　　由表1優(yōu)缺點看來，鎳鎘、鎳氫及鋰離子電池較適合使用在電子產(chǎn)品上;而鋰離子電池?zé)o論是在體積、重量及容量(電子產(chǎn)品的使用時間)較優(yōu)于鎳鎘、鎳氫電池，也無記憶效應(yīng)的問題，所以鋰離子電池在電子產(chǎn)品使用上似乎方便許多。

　　延長使用壽命 鋰離子電池充/放電壓成關(guān)鍵

　　一般來說，鋰離子電池會有電性安全的范圍限制。由于鋰離子電池的特性，當(dāng)電池電壓在充電時上升到最高設(shè)定電壓后，要立即停止充電，避免電池因過充電造成電池損毀而產(chǎn)生危險;電池供電(放電)時，電池電壓如果降至最低設(shè)定電壓以下便要停止放電，避免因過放電而降低使用壽命。

　　此外，為確保電池使用上的安全，鋰離子電池還必須要加裝短路保護，以避免發(fā)生危險;即使大多數(shù)的鋰離子電池都有加裝保護電路，然而在選擇優(yōu)質(zhì)的充電器或移動電源時，這仍然是一項重要的考量因素。

　　鋰離子電池充電器首重安全

　　充電器是將電池充至其額定電壓的設(shè)備，而鋰離子電池充電器必須具備以下幾點特性：

　　.可提供固定電流給充電電池

　　當(dāng)電池電壓到達最大值且不再上升時，其充電電流便會開始下降，如此可避免對電池過度充電，造成電池損傷;當(dāng)充電電流降至一定程度時，充電器將停止充電。

　　.確保電池具備可使用電壓

　　電池在充電完成后，若長時間放置不使用會有自然放電的情形出現(xiàn)，為避免電池過度自放電導(dǎo)致電池電壓下降，當(dāng)電池電壓低于所設(shè)定電壓時，充電器會重新開始對電池充電，確保電池在使用時還能維持一定電壓。

　　四階段充電簡述

　　以下使用沛亨半導(dǎo)體的充電集成電路(IC)--AIC6511做鋰離子電池充電簡介，圖1為鋰離子電池充電曲線圖：

　　

 

　　圖1 鋰離子電池充電曲線圖

　　.Trickle Charge or Pre-Charge

　　此時的鋰離子電池電壓小于3伏特(V)，當(dāng)充電器開始對電池充電時，因鋰離子電池的特性，其內(nèi)部阻抗會很大，故充電器會先以一微小電流對電池進行充電，此時電池電壓持續(xù)上升。

　　.定電流充電(Constant Current Charge, CC Charge)

　　當(dāng)電池充電電壓上升至約3伏特時，充電器改以最大充電電流對電池進行定電流充電，此時電池電壓持續(xù)上升。

　　.定電壓充電(Constant Voltage Charge, CV Charge)

　　當(dāng)電池充電電壓上升至接近鋰離子電池的飽和點電壓約4.2伏特時，充電器改以定電壓模式對電池進行充電，此時充電電流開始下降。

　　.Charge Full

　　當(dāng)充電電流降至微小電流時，充電器停止對電池充電。

　　電池在充電完成后，若長時間放置不使用會有自然放電的情形出現(xiàn)，為避免電池過度放電導(dǎo)致電池電壓下降，電源IC在鋰離子電池電壓降至4伏特時，會重新開始對電池進行CC Charge模式充電，確保電池在使用時還能維持一定電壓。

　　鋰離子電池充電周期

　　因鋰離子電池的特性，若鋰離子電池在充電之前已深度放電，此時充電器會先以微弱電流對電池進行Pre-Charge充電(各家廠商設(shè)定值不同，本文使用范例的充電IC設(shè)定值約為10%的最大充電電流)，充電時電池電壓上升。

　　當(dāng)電池電壓上升至約3伏特，充電器改以最大充電電流對電池進行CC Charge,電池電壓持續(xù)上升。

　　當(dāng)電池充電電壓上升至接近鋰離子電池的飽和點電壓約4.2伏特時，充電器改以CV Charge對電池進行充電，此時充電電流開始下降，當(dāng)充電電流降至約等于Pre-Charge電流時，充電器停止對電池充電，即完成充電。

　　不論是用通用序列總線(USB)或AC電源轉(zhuǎn)換器(Adapter)輸入電源對電池充電，當(dāng)電池開始充電后，若充電時間超過其設(shè)定時間，充電器仍然操作于Pre-Charge模式而未進入CC Charge模式，或者仍然操作于CC/CV Charge模式而未進入充電完成狀態(tài)，則透過IC的充電計時保護功能使充電器停止對電池充電。

　　充電計時保護確保電池安全

　　圖2為本文范例充電IC的腳位示意圖，充電計時保護時間由IC外部TMR腳位(Pin 15)的電容CTMR設(shè)定，CTMR選擇方式如下：

　　

 

　　圖2 AIC6511腳位示意圖

　　.Pre-Charge充電時間：

　　

 

　　……(Minutes)

　　.完整充電時間：

　　

 

　　……Minutes)

　　若電池在充電狀態(tài)下，充電時間已超過使用者所設(shè)定的充電計時保護時間，但充電器卻仍尚未脫離當(dāng)前的充電狀態(tài)或結(jié)束充電，這時IC的充電計時保護功能就會立即啟動，迫使充電器停止對電池充電(圖3)，此時的STAT1(Pin 12)位準(zhǔn)為High,LED1指示燈為不亮(圖4);若將TMR(Pin 15)腳位連接至GND(Pin 6)腳位，便可以解除使充電計時保護功能。

　　

 

　　圖3 充電器是否正確檢測電池充電情形，對于使用安全至關(guān)重要[!--empirenews.page--]

　　當(dāng)輸入電源重置、EN信號觸發(fā)時，皆能解除充電計時保護時間，使其重新計時。

　　充電指示狀態(tài)

　　圖4中，STAT1(Pin 12)及STAT2(Pin 13)內(nèi)部為兩個Open-Drain的N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)開關(guān)，必須和VREF33腳位(Pin 7)或與其他有Pull-Up電阻的偏壓電源連接，其動作情形如表2所示。

　　

 

　　圖4 AIC6511典型應(yīng)用電路

　　表2 充電指示狀態(tài)表

　　

 

　　輸入電源檢測防止電池漏電流倒灌

　　AC Adapter或USB兩種不同輸入電源皆可對電池充電。若同時接上AC Adapter及USB電源，IC內(nèi)部開關(guān)會優(yōu)先選擇AC Adapter端做為充電器的輸入電源;然而，應(yīng)避免此情況發(fā)生。

　　.ACIN

　　圖4中供一般插座之Adapter電源于VIN腳位(Pin 2)輸入，在ACIN充電模式下，能以高達2安培(A)之充電電流對電池進行充電，最大充電電流由RS1電阻設(shè)定。

　　.USBIN

　　USBIN腳位(Pin 5)供USB電源輸入。在選擇USBIN充電模式時，其輸入限制電流由RILIM電阻設(shè)定，設(shè)定500毫安(mA)適用于USB 2.0,900毫安適用于USB 3.0.

　　當(dāng)使用USBIN模式時，CC Charge電流會隨不同輸入電壓和電池電壓變動，藉由檢測在CC Charge時流經(jīng)RS1電阻的電流來調(diào)節(jié)其固定輸入限制電流IUSB_LIM.在充電過程中，若將AC Adapter及USB電源移除，IC內(nèi)部開關(guān)皆會截止并啟動防倒灌保護功能，防止電池漏電流逆向倒灌回輸入電源端。

　　充電電流設(shè)定

　　本文范例芯片提供USB及AC Adapter兩種輸入電源模式選擇對電池充電，其充電電流設(shè)定如下：

　　.ACIN充電電流：

　　透過圖4中RS1電阻可設(shè)定高達2安培的最大充電電流(Maximum Charge Current)。

　　

 

　　……(A)

　　.Trickle or Pre-Charge充電電流：

　　不論是ACIN或USBIN,其充電電流(Pre-Charge Current)約為10%的最大充電電流。

　　

 

　　……(A)

　　.USBIN輸入限制電流：

　　透過RILIM電阻可設(shè)定其輸入限制電流(USBIN Input Current Limit)。

　　

 

　　……(mA)

　　NTC熱敏電阻維持電池溫度安全

　　負溫度系數(shù)(Negative Temperature Coefficient, NTC)熱敏電阻的阻值與溫度成反比，會因高溫遞減、低溫遞增，且溫度系數(shù)非常大，可用于檢測微小的溫度變化，因而被廣泛的應(yīng)用在溫度的量測與補償控制。

　　圖5為電池溫度檢測電路，透過圖4中NTC腳位(Pin 14)檢測NTC熱敏電阻的電壓，充電IC能持續(xù)檢測電池的溫度，確保電池溫度的安全操作范圍。

　　

 

　　圖5 電池溫度檢測電路

　　由NTC腳位(Pin 14)上的電壓與NTC高低溫位準(zhǔn)比較，可得知電池操作溫度是否正常;一旦檢測到電池溫度超過正常操作溫度范圍，會立即關(guān)閉內(nèi)部的同步降壓器并停止充電動作;當(dāng)電池溫度回復(fù)至正常溫度范圍時，充電器將重新恢復(fù)充電動作。

　　內(nèi)建的NTC磁滯溫度比較器，可接受的電壓范圍為32?74%的VREF33.假設(shè)選用103AT-2型號的熱敏電阻做為溫度傳感器(操作溫度為-10?40℃，阻值RTL與RTH為5.827千歐姆(kΩ)與42.470千歐姆)，RTL為熱敏電阻在低溫時的電阻值，RTH為熱敏電阻在高溫時的電阻值，根據(jù)所選用型號的熱敏電阻在高低溫時不同的電阻值，再與RT1及RT2配合，將溫度信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，可推算出RT1、RT2的電阻值，計算方式如下：

　　

 

　　……(熱敏電阻103AT-2)

　　

 

　　……(NTC高溫磁滯位準(zhǔn))

　　

 

　　……(NTC低溫磁滯位準(zhǔn)) 整理后可得：

　　

 

　　……(kΩ)

　　

 

　　……(kΩ)

　　RT1及RT2選用12千歐姆和5千歐姆，即可完成NTC保護功能。

　　若在NTC腳位(Pin 14)輸入介于NTC高低限電壓位準(zhǔn)范圍內(nèi)的固定電壓時，可使電池溫度檢測功能除能。

　　過溫度保護防止充電過熱

　　過溫度保護(Thermal Shutdown Protection)可避免IC在充電時發(fā)生過熱情形。

　　此功能透過監(jiān)測充電IC的接面溫度(Junction Temperature, TJ)，一旦發(fā)現(xiàn)TJ的溫度已達到過溫度點(Thermal Shutdown Threshold, TSHTDWN)約150℃左右時，IC便會立即關(guān)閉充電器，使其停止充電;待TJ溫度降至約130℃時，IC才會重新啟動。

　　選用合適充電IC 鋰離子電池充電器更穩(wěn)定

　　本文范例IC為開關(guān)切換式鋰離子電池充電器，內(nèi)部為同步降壓型轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，不須加裝額外的開關(guān)及二極管，能提供USB及AC Adapter兩種輸入電源模式選擇對電池充電，并具備充電保護功能。

　　由于鋰離子電池的電氣特性較鎳氫、鎳鎘電池穩(wěn)定，在設(shè)計充電器方面也相對容易，只要先了解鋰離子電池的相關(guān)規(guī)格、再依需求選擇合適的充電IC(圖6)，就能輕松地設(shè)計一個鋰離子電池充電器。

　　

 

　　圖6 充電IC可檢測電池充電情形，使充電器兼顧效能與安全性