提高電池充電系統(tǒng)安全性的設計和實現(xiàn)

許多類型的適配器可用來為鋰離子（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。這對系統(tǒng)設計師構建便攜式裝置提出了要求，在采用不同適配器時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,該器件專門做了優(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、保護模塊和bq243xx CFE集中在一個電池盒內(nèi)，提供更強大的系統(tǒng)級保護。

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 保護集成電路 （IC） 集成輸入過壓、過流及電池過壓保護機制，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，從而可延長電池使用壽命，提高安全性。了解鋰離子電池的特性對設計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

輸入過壓、輸入過流、電池電壓過大或反向輸入電壓都可能導致充電系統(tǒng)損壞。帶電插拔適配器或適配器使用不當會引起輸入過壓；瞬時過壓或穩(wěn)態(tài)過壓也會導致輸入過壓。對正在充電、非穩(wěn)壓的適配器進行帶電插拔，適配器使用不當或負載瞬變是最常見的引發(fā)過壓的事件?？蛰d時非穩(wěn)壓適配器將對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。這對于低壓制程（ V工藝）的器件來說往往會造成問題。圖1為典型穩(wěn)壓適配器輸出電壓與非穩(wěn)壓適配器的負載曲線。輸入過流不會導致獨立式充電器損壞，因為它們的恒定電流模式限制了輸出或電池電流大小。然而，電源路徑管理器件的輸入與系統(tǒng)總線電壓直接相連，通常未有針對大電流的保護機制。近來，設計人員對限制電流模式下工作的適配器安全性給予較多關注，并期望能借助于可編程電流限制電路來確保適配器不進入限流模式。

眾所周知，高溫下鋰離子電池和鋰聚合物電池組過充電，就可能發(fā)生爆炸起火.產(chǎn)生過充電的主要原因是電池電壓過高。為了提高電池的安全性，許多制造商都加入了二級過壓保護以在檢測到電池電壓過高時移走輸入電源。采用通用連接器時，應注意反極性適配器是否連接到輸入。若沒有輸入反極性保護，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。實現(xiàn)輸入反極性保護的兩個基本解決方案如圖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，這將導致功耗增加。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：電池熱耗散

安全性更高的電池充電器設計

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階段：預充階段、快充恒流 （CC） 階段以及恒壓 （CV） 終止階段。在預充階段，電池在低速率下充電。電池單元電壓低于 3.0 V 時，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)下長期存儲后可能溶解，這樣可使其逐漸恢復。此外，部分銅分解出現(xiàn)在過放電的陽極短路電池單元上時，預充電還可防止在 1oC 充電速率（一個小時內(nèi)就可使電池完全放電的電流）下出現(xiàn)過熱情況。

預充電安全定時器可避免長時間給電量耗盡的電池充電。一般說來，電池單元電壓達到 3.0 V,充電器就會進入 CC 階段。快速充電電流通常限定在 0.5 至 1C 之間，以避免過熱導致電池加速退化。應選擇適當?shù)乃俣龋_保電池溫度不超過 45oC,然后在快充速率下進行電池充電，直至電壓達到調(diào)節(jié)限度（對基于 LiCoO2 的陰極而言通常是每單元 4.2 V）。充電器開始調(diào)節(jié)電池電壓并進入 CV 階段，這時充電電流會呈指數(shù)地下降至預定終止水平，結束電池充電。

電池充電電壓的準確性對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，但是會縮短電池使用壽命 [2],如圖 4 所示。對于容差為 ±2.5% 的電池充電電壓而言，充電電壓可能會達到 4.3 V,這會導致熱耗散及安全性問題。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。只有當電池溫度在安全范圍內(nèi)（通常是 0 到 45oC）時，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器來避免電量耗盡電池過長時間的充電。一旦安全時間一過，即便電池還沒有達到充電終止電流狀態(tài)，電池充電器也必須關閉。

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，因為其設計簡單、低成本以及小型化優(yōu)勢可充分滿足便攜式設備的需求。其設計挑戰(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，還要消除和最大限度地減少所產(chǎn)生的熱量。最新開發(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間的同時，解決上述散熱問題。

　　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算如下：

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當充電器從預充向快充模式轉(zhuǎn)變而功耗又達到最高時，輸入電壓與電池電壓之差就會很大。例如，如果用 5V 適配器為 1200mAh 鋰離子電池充電，當充電電流為 1A、電池電壓為 3.2V 時，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，這種功耗會使溫度升高 85oC.接點溫度會超過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計，在充電啟動時使接點溫度保持在安全范圍內(nèi)，這是一項難度很大的工作。充電過程中隨著電池電壓的升高，功耗會逐漸下降。