鋰離子電池充放電安全及電池檢測(cè)設(shè)計(jì)

　　手機(jī)的鋰離子電池充電安全性日益受到消費(fèi)者重視，因此充電器制造商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，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(cè)及保護(hù)功能的充電芯片，以降低過(guò)電流、過(guò)電壓或過(guò)溫等狀況所造成的危險(xiǎn)。

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

　　早期手機(jī)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(lái)做為電源的手機(jī)，已經(jīng)是非常的少見(jiàn)，絕大部分都是使用鋰離子電池，尤其消費(fèi)者希望手機(jī)待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)，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(fèi)者的期望而被淘汰。 雖然鎳氫、鎳鎘電池在價(jià)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(jī)因其功能強(qiáng)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(jī)電池電量不足時(shí)，使用者通常會(huì)以充電器或搭配一組移動(dòng)電源隨時(shí)對(duì)電池進(jìn)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(diǎn)看來(lái)，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(shí)間)較優(yōu)于鎳鎘、鎳氫電池，也無(wú)記憶效應(yīng)的問(wèn)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(zhǎng)使用壽命 鋰離子電池充/放電壓成關(guān)鍵

　　一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池會(huì)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(shí)上升到最高設(shè)定電壓后，要立即停止充電，避免電池因過(guò)充電造成電池?fù)p毀而產(chǎn)生危險(xiǎn);電池供電(放電)時(shí)，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(guò)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(hù)，以避免發(fā)生危險(xiǎn);即使大多數(shù)的鋰離子電池都有加裝保護(hù)電路，然而在選擇優(yōu)質(zhì)的充電器或移動(dòng)電源時(shí)，這仍然是一項(xiàng)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(diǎn)特性：

　　.可提供固定電流給充電電池

　　當(dāng)電池電壓到達(dá)最大值且不再上升時(shí)，其充電電流便會(huì)開(kāi)始下降，如此可避免對(duì)電池過(guò)度充電，造成電池?fù)p傷;當(dāng)充電電流降至一定程度時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間放置不使用會(huì)有自然放電的情形出現(xiàn)，為避免電池過(guò)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(shí)，充電器會(huì)重新開(kāi)始對(duì)電池充電，確保電池在使用時(shí)還能維持一定電壓。

　　四階段充電簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)的鋰離子電池電壓小于3伏特(V)，當(dāng)充電器開(kāi)始對(duì)電池充電時(shí)，因鋰離子電池的特性，其內(nèi)部阻抗會(huì)很大，故充電器會(huì)先以一微小電流對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)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(shí)，充電器改以最大充電電流對(duì)電池進(jìn)行定電流充電，此時(shí)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(diǎn)電壓約4.2伏特時(shí)，充電器改以定電壓模式對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)充電電流開(kāi)始下降。

　　.Charge Full

　　當(dāng)充電電流降至微小電流時(shí)，充電器停止對(duì)電池充電。

　　電池在充電完成后，若長(zhǎng)時(shí)間放置不使用會(huì)有自然放電的情形出現(xiàn)，為避免電池過(guò)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(shí)，會(huì)重新開(kāi)始對(duì)電池進(jìn)行CC Charge模式充電，確保電池在使用時(shí)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(shí)充電器會(huì)先以微弱電流對(duì)電池進(jìn)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(shí)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(duì)電池進(jìn)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(diǎn)電壓約4.2伏特時(shí)，充電器改以CV Charge對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)充電電流開(kāi)始下降，當(dāng)充電電流降至約等于Pre-Charge電流時(shí)，充電器停止對(duì)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(duì)電池充電，當(dāng)電池開(kāi)始充電后，若充電時(shí)間超過(guò)其設(shè)定時(shí)間，充電器仍然操作于Pre-Charge模式而未進(jìn)入CC Charge模式，或者仍然操作于CC/CV Charge模式而未進(jìn)入充電完成狀態(tài)，則透過(guò)IC的充電計(jì)時(shí)保護(hù)功能使充電器停止對(duì)電池充電。

　　充電計(jì)時(shí)保護(hù)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(jì)時(shí)保護(hù)時(shí)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(shí)間：

　　……(Minutes)

　　.完整充電時(shí)間：

　　……Minutes)

　　若電池在充電狀態(tài)下，充電時(shí)間已超過(guò)使用者所設(shè)定的充電計(jì)時(shí)保護(hù)時(shí)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(shí)IC的充電計(jì)時(shí)保護(hù)功能就會(huì)立即啟動(dòng)，迫使充電器停止對(duì)電池充電(圖3)，此時(shí)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(jì)時(shí)保護(hù)功能。

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

　　當(dāng)輸入電源重置、EN信號(hào)觸發(fā)時(shí)，皆能解除充電計(jì)時(shí)保護(hù)時(shí)間，使其重新計(jì)時(shí)。

　　充電指示狀態(tài)

　　圖4中，STAT1(Pin 12)及STAT2(Pin 13)內(nèi)部為兩個(gè)Open-Drain的N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)開(kāi)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(dòng)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(cè)防止電池漏電流倒灌

　　AC Adapter或USB兩種不同輸入電源皆可對(duì)電池充電。若同時(shí)接上AC Adapter及USB電源，IC內(nèi)部開(kāi)關(guān)會(huì)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(dá)2安培(A)之充電電流對(duì)電池進(jìn)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(shí)，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(shí)，CC Charge電流會(huì)隨不同輸入電壓和電池電壓變動(dòng)，藉由檢測(cè)在CC Charge時(shí)流經(jīng)RS1電阻的電流來(lái)調(diào)節(jié)其固定輸入限制電流IUSB_LIM.在充電過(guò)程中，若將AC Adapter及USB電源移除，IC內(nèi)部開(kāi)關(guān)皆會(huì)截止并啟動(dòng)防倒灌保護(hù)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(duì)電池充電，其充電電流設(shè)定如下：

　　.ACIN充電電流：

　　透過(guò)圖4中RS1電阻可設(shè)定高達(dá)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(guò)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(fù)溫度系數(shù)(Negative Temperature Coefficient, NTC)熱敏電阻的阻值與溫度成反比，會(huì)因高溫遞減、低溫遞增，且溫度系數(shù)非常大，可用于檢測(cè)微小的溫度變化，因而被廣泛的應(yīng)用在溫度的量測(cè)與補(bǔ)償控制。

　　圖5為電池溫度檢測(cè)電路，透過(guò)圖4中NTC腳位(Pin 14)檢測(cè)NTC熱敏電阻的電壓，充電IC能持續(xù)檢測(cè)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(cè)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(cè)到電池溫度超過(guò)正常操作溫度范圍，會(huì)立即關(guān)閉內(nèi)部的同步降壓器并停止充電動(dòng)作;當(dāng)電池溫度回復(fù)至正常溫度范圍時(shí)，充電器將重新恢復(fù)充電動(dòng)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(hào)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(shí)的電阻值，RTH為熱敏電阻在高溫時(shí)的電阻值，根據(jù)所選用型號(hào)的熱敏電阻在高低溫時(shí)不同的電阻值，再與RT1及RT2配合，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，可推算出RT1、RT2的電阻值，計(jì)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(hù)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(shí)，可使電池溫度檢測(cè)功能除能。

　　過(guò)溫度保護(hù)防止充電過(guò)熱

　　過(guò)溫度保護(hù)(Thermal Shutdown Protection)可避免IC在充電時(shí)發(fā)生過(guò)熱情形。

　　此功能透過(guò)監(jiān)測(cè)充電IC的接面溫度(Junction Temperature, TJ)，一旦發(fā)現(xiàn)TJ的溫度已達(dá)到過(guò)溫度點(diǎn)(Thermal Shutdown Threshold, TSHTDWN)約150℃左右時(shí)，IC便會(huì)立即關(guān)閉充電器，使其停止充電;待TJ溫度降至約130℃時(shí)，IC才會(huì)重新啟動(dòng)。

　　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(kāi)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(kāi)關(guān)及二極管，能提供USB及AC Adapter兩種輸入電源模式選擇對(duì)電池充電，并具備充電保護(hù)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(jì)充電器方面也相對(duì)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(jì)一個(gè)鋰離子電池充電器。

　　圖6 充電IC可檢測(cè)電池充電情形，使充電器兼顧效能與安全性