便攜式設備電池充電系統(tǒng)保護設計方案
為便攜式產(chǎn)品的電池充電有幾種方式。以手機為例,我們可以利用墻式適配器或者其它充電設備充電,這種方式提供的電流可以達到2A,墻式適配器產(chǎn)生的高壓有可能達到30V;也可以通過USB線來進行充電,它可以提供500mA的充電電流,但是USB線上的高壓也有可能達到20V;同時,我們也可以通過手機對附件進行供電,比如調(diào)頻收發(fā)器等外部附件。加強充電、供電保護,使電池的安全性更高、可用時間更長、可用電壓更寬、充電時間更短、生命周期更長,是移動設備發(fā)展的一個趨勢。
直流充電通道的保護(從墻式適配器到電池)
圖 1是一個典型的充電電路示意圖,該充電電路主要有以下幾個問題:對于直接充電來講,充電得不到保護;對于反向放電來講,沒有優(yōu)化壓降,同時也沒有控制反向的放電電流。這些問題都會極大地影響系統(tǒng)的安全性、電池的可用時間以及電池的充電時間,與電池充電市場的發(fā)展趨勢背道而馳,所以必須重新設計系統(tǒng)的保護方案。
圖1 典型的充電電路示意圖
我們知道系統(tǒng)的保護僅僅依靠充電器本身是不夠的,需要添加額外的設想保護方案(Box)。相應的保護方案有兩種:第一種是將設想保護方案集成在充電器IC里,第二種是采用獨立的外部器件來進行保護,目前的大趨勢是采用獨立的外部器件。
針對對直接充電,設想保護方案首先應該解決浪涌電流效應的問題,其次應該解決正向和反向的過壓保護,這兩個保護功能是必須要有的。此外,還包括直接充電的過流保護以及電池電壓的監(jiān)測,這兩項保護功能是可選的。
浪涌電流效應。由于寄生電感和輸入電容的影響,充電器在熱插入時可能產(chǎn)生高壓的振鈴,損害集成電路,此時我們需要控制保護方案內(nèi)部的MOSFET,使系統(tǒng)內(nèi)部的電流和電壓不超過額定值。
正向和負向過壓保護。由于AC-DC的瞬態(tài)、適配器故障或錯誤,保護方案的輸出不能超過便攜系統(tǒng)的最大額定電壓,所以要保護源自墻式適配器的過壓保障,需要具備+28V的正向過壓保護以及-28V的反向過壓保護。只有在過壓比較器的輸入比系統(tǒng)的最大額定電壓低的時候,保護器件才能保持導通狀態(tài)。
直接充電通道的過流保護。如果直接充電通道出現(xiàn)過流的話,可能會損壞系統(tǒng)。但是過流保護特性應該為可選的,主要是因為:首先,充電電路內(nèi)的充電電阻會檢測充電電流,并且由充電IC來控制該充電電流;其次,AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出能力是有限的,如果出現(xiàn)過流,AC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓會急劇的跌落。
電池電壓監(jiān)測。截至目前為止,鋰離子電池的最大電壓為4.35V,在電池組中集成了電壓監(jiān)測功能,某些應用甚至集成了兩個電池包的保護方案,而且充電電路也會監(jiān)測電池電壓,因此電池電壓監(jiān)測可以增加到設想的保護方案當中。但由于在系統(tǒng)中已經(jīng)有多處提供了這種保護功能,因此該功能應該是可選的。
綜上所述,設想保護方案(Box)必須具備下列特性:
1. 過壓鎖定能力。只有在總線電壓低于系統(tǒng)的最大額定電壓的時候,保護器件才應該是導通的。如果出現(xiàn)過壓,保護器件應該處于斷開狀態(tài)以保護內(nèi)部的系統(tǒng)。
2. 具備抗過壓能力。采用墻式適配器充電的時候為+28V,利用USB充電的時候為+20V。
3. 具有電流通過能力。利用墻式適配器充電的時候,電流可能達到1A甚至2A;在使用USB充電時,最大電流為500mA,
4. 能夠?qū)擞侩娏鬟M行控制。
5. 保護器件與充電IC應該相互獨立。
如果具備了以上特性,直接充電通道將會得到良好的保護。
反向供電通道(從電池到附件)
對于反向供電通道來講,設想的解決方案(Box)必須解決以下幾個問題:電池放電、反向過流、反向浪涌電流、短路保護,并盡量降低反向電路的電壓電路。
電池放電。當輸入電壓低于電池電壓時,應該避免電池放電,因為此時附件可能是沒有插入的。這時應該采用背對背的解決方案,在Vin小于Vbat的時候,防止電池漏電。只有在檢測到附件時,才支持反向供電。
圖2 建議解決方案
反向過流保護功能。當連接錯誤的附件或有缺陷的附件的時候,電池仍然有可能放電到附件,而且反向放電的電流可能超過充電通道的電流通過能力。由于充電器無法檢測到反向電流,因此需要增加另外的模塊來檢測反向電流。
反向浪涌電流抑制。插入附件的時候,如果沒有電流保護方案,可能從電池流出極高的浪涌電流,而且可能產(chǎn)生過高的振鈴,從而損害器件,所以必須采用電流監(jiān)測功能來控制反向MOSFET的門極,從而消除振鈴和浪涌電流。
短路保護。如果附件出現(xiàn)直接短路,可能會瞬時涌現(xiàn)源自電池的極高電流,所以保護器件應該提供過流保護,而且可以通過外部電阻對電流進行設置以適應不同的系統(tǒng)要求。另外,保護器件應該具有自動恢復功能,即當外部短路狀況消除之后,系統(tǒng)會自動地恢復工作。
從電池到外部附件的電壓電路。必須降低電池和附件之間的損耗,如果電壓電路過高的話,會產(chǎn)生額外的損耗,影響到電池的可用電壓。
綜上所述,設想的保護方案(Box)應該具備以下的特性:
1. 對于電池放電來講,應該采用背對背的結(jié)構,防止電池漏電。
2. 應該具備反向過流保護功能。
3. 應該對反向浪涌電流進行控制。
4. 應該對反向供電通道的短路進行保護。
5. 導通電阻應該盡可能的低,即使通道的電壓跌落盡可能的低,減少額外的損耗。
只有具備了以上特性,反向通道才能得到良好的保護。
因此,我們建議的解決方案的架構是:具有背對背的N-MOSFET、具備正向和反向的過壓保護以及反向過流保護功能、具有極低的靜態(tài)電流等功能。(圖2)
集成解決方案的細節(jié)
圖3所示為集成解決方案的細節(jié)框圖,由于采用的是背對背的N-MOS結(jié)構,通過第一個N-MOS(標識1)的門極,可以防止浪涌電流進入系統(tǒng)內(nèi)部,同時這個N-MOS也提供正向的過壓保護。[!--empirenews.page--]
圖3 集成解決方案
圖4 安森美OVP產(chǎn)品系列
背對背N-MOS結(jié)構的另一個N-MOS(標識2)提供-28V的過壓保護。之前采用的一般是P-MOS,但相對于P-MOS,N-MOS的導通電阻更低,使電池能夠工作在更低電壓下。同時N-MOS支持更大的電流,而且這個N-MOS還通過檢測電流來控制反向通道的浪涌電流,提供反向過流保護。
此外,方案還應提供過流保護(標識3),并且過流保護的電流值可以通過外部電阻設定。同時集成方案還要提供狀態(tài)標記引腳(標識4)以及邏輯控制引腳(標識5),并控制芯片的工作模式。