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锂離子電池充放電安全及電池檢測設計

上傳時間:2017-04-18閱讀次數:編輯:admin
  手機的锂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計産品時,須掌握锂離子電池的相關規格和特性,並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、生活質量提升,電子産品的蹤迹到處可見,其中又以手機爲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今功能強大的智能手機,皆需要電源才能運作。
   早期手机的电池主要有二种,一是镍氢、镍镉电池,二是锂离子电池,但现在使用镍氢、镍镉电池来做为电源的手机,已经是非常的少见,绝大部分都是使用锂离 子电池,尤其消费者希望手机待机时间更长,且体积要更小,所以镍氢、镍镉电池已经慢慢不能符合消费者的期望而被淘汰。 虽然镍氢、镍镉电池在价格以及替代电池取得的便利性优于锂离子电池,在其他电子产品上仍旧可看到镍氢、镍镉电池的踪迹;但是,在体积、重量及容量方面,镍 氢、镍镉电池皆不如锂离子电池,所以现今标榜着轻薄短小的电子产品,几乎都是使用锂离子电池。
  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锂離子電池。當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。
  体积/容量兼具 锂离子电池为电子产品首选
  充電電池依其材質的不同可分爲四類:鉛酸電池、鎳镉電池、鎳氫電池和锂離子電池。
  表1 充电电池比较表
  由表1優缺點看來,鎳镉、鎳氫及锂離子電池較適合使用在電子産品上;而锂離子電池無論是在體積、重量及容量(電子産品的使用時間)較優于鎳镉、鎳氫電池,也無記憶效應的問題,所以锂離子電池在電子産品使用上似乎方便許多。
  延长使用寿命 锂离子电池充/放电压成关键
   一般来说,锂离子电池会有电性安全的范围限制。由于锂离子电池的特性,当电池电压在充电时上升到最高设定电压后,要立即停止充电,避免电池因过充电造成 电池损毁而产生危险;电池供电(放电)时,电池电压如果降至最低设定电压以下便要停止放电,避免因过放电而降低使用寿命。
  此外,爲確保電池使用上的安全,锂離子電池還必須要加裝短路保護,以避免發生危險;即使大多數的锂離子電池都有加裝保護電路,然而在選擇優質的充電器或移動電源時,這仍然是一項重要的考量因素。
  锂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備,而锂離子電池充電器必須具備以下幾點特性:
  1)可提供固定電流給充電電池
  當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;當充電電流降至一定程度時,充電器將停止充電。
  2)確保電池具備可使用電壓
  電池在充電完成後,若長時間放置不使用會有自然放電的情形出現,爲避免電池過度自放電導致電池電壓下降,當電池電壓低于所設定電壓時,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
  以下使用沛亨半導體的充電集成電路(IC)--AIC6511做锂離子電池充電簡介,圖1爲锂離子電池充電曲線圖:
  图1 锂离子电池充电曲线图
  1)Trickle Charge or Pre-Charge
  此時的锂離子電池電壓小于3伏特(V),當充電器開始對電池充電時,因锂離子電池的特性,其內部阻抗會很大,故充電器會先以一微小電流對電池進行充電,此時電池電壓持續上升。
  2)定电流充电(Constant Current Charge, CC Charge)
  當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,此時電池電壓持續上升。
  3)定电压充电(Constant Voltage Charge, CV Charge)
  當電池充電電壓上升至接近锂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。
  4)Charge Full
  當充電電流降至微小電流時,充電器停止對電池充電。
  电池在充电完成后,若长时间放置不使用会有自然放电的情形出现,为避免电池过度放电导致电池电压下降,电源IC在锂离子电池电压降至4伏特时,会重新开始对电池进行CC Charge模式充电,确保电池在使用时还能维持一定电压。
  锂離子電池充電周期
  因锂離子電池的特性,若锂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(各家廠商設定值不同,本文使用範例的充電IC設定值約爲10%的最大充電電流),充電時電池電壓上升。
  当电池电压上升至约3伏特,充电器改以最大充电电流对电池进行CC Charge,电池电压持续上升。
  当电池充电电压上升至接近锂离子电池的饱和点电压约4.2伏特时,充电器改以CV Charge对电池进行充电,此时充电电流开始下降,当充电电流降至约等于Pre-Charge电流时,充电器停止对电池充电,即完成充电。
   不论是用通用序列总线(USB)或AC电源转换器(Adapter)输入电源对电池充电,当电池开始充电后,若充电时间超过其设定时间,充电器仍然操作 于Pre-Charge模式而未进入CC Charge模式,或者仍然操作于CC/CV Charge模式而未进入充电完成状态,则透过IC的充电计时保护功能使充电器停止对电池充电。
  充電計時保護確保電池安全
  图2为本文范例充电IC的脚位示意图,充电计时保护时间由IC外部TMR脚位(Pin 15)的电容CTMR设定,CTMR选择方式如下:
  图2 AIC6511脚位示意图
  .Pre-Charge充電時間:
  
  ……(Minutes)
  。完整充電時間:
  ……Minutes)
   若电池在充电状态下,充电时间已超过使用者所设定的充电计时保护时间,但充电器却仍尚未脱离当前的充电状态或结束充电,这时IC的充电计时保护功能就会 立即启动,迫使充电器停止对电池充电(图3),此时的STAT1(Pin 12)位准为High,LED1指示灯为不亮(图4);若将TMR(Pin 15)脚位连接至GND(Pin 6)脚位,便可以解除使充电计时保护功能。
  图3 充电器是否正确检测电池充电情形,对于使用安全至关重要
  當輸入電源重置、EN信號觸發時,皆能解除充電計時保護時間,使其重新計時。
  充電指示狀態
  图4中,STAT1(Pin 12)及STAT2(Pin 13)内部为两个Open-Drain的N型金属氧化物半导体(NMOS)开关,必须和VREF33脚位(Pin 7)或与其他有Pull-Up电阻的偏压电源连接,其动作情形如表2所示。
  图4 AIC6511典型应用电路
  表2 充电指示状态表
  輸入電源檢測防止電池漏電流倒灌
  AC Adapter或USB两种不同输入电源皆可对电池充电。若同时接上AC Adapter及USB电源,IC内部开关会优先选择AC Adapter端做为充电器的输入电源;然而,应避免此情况发生。
  .ACIN
  图4中供一般插座之Adapter电源于VIN脚位(Pin 2)输入,在ACIN充电模式下,能以高达2安培(A)之充电电流对电池进行充电,最大充电电流由RS1电阻设定。
  .USBIN
  USBIN脚位(Pin 5)供USB电源输入。在选择USBIN充电模式时,其输入限制电流由RILIM电阻设定,设定500毫安(mA)适用于USB 2.0,900毫安适用于USB 3.0.
   当使用USBIN模式时,CC Charge电流会随不同输入电压和电池电压变动,藉由检测在CC Charge时流经RS1电阻的电流来调节其固定输入限制电流IUSB_LIM.在充电过程中,若将AC Adapter及USB电源移除,IC内部开关皆会截止并启动防倒灌保护功能,防止电池漏电流逆向倒灌回输入电源端。
       
  充電電流設定
  本文范例芯片提供USB及AC Adapter两种输入电源模式选择对电池充电,其充电电流设定如下:
  .ACIN充電電流:
  透过图4中RS1电阻可设定高达2安培的最大充电电流(Maximum Charge Current)。
  ……(A)
  .Trickle or Pre-Charge充电电流:
  不论是ACIN或USBIN,其充电电流(Pre-Charge Current)约为10%的最大充电电流。
  ……(A)
  .USBIN輸入限制電流:
  透过RILIM电阻可设定其输入限制电流(USBIN Input Current Limit)。
  ……(mA)
  NTC熱敏電阻維持電池溫度安全
  负温度系数(Negative Temperature Coefficient, NTC)热敏电阻的阻值与温度成反比,会因高温递减、低温递增,且温度系数非常大,可用于检测微小的温度变化,因而被广泛的应用在温度的量测与补偿控制。
  图5为电池温度检测电路,透过图4中NTC脚位(Pin 14)检测NTC热敏电阻的电压,充电IC能持续检测电池的温度,确保电池温度的安全操作范围。
  图5 电池温度检测电路
  由NTC脚位(Pin 14)上的电压与NTC高低温位准比较,可得知电池操作温度是否正常;一旦检测到电池温度超过正常操作温度范围,会立即关闭内部的同步降压器并停止充电动作;当电池温度回复至正常温度范围时,充电器将重新恢复充电动作。
   内建的NTC磁滞温度比较器,可接受的电压范围为32?74%的VREF33.假设选用103AT-2型号的热敏电阻做为温度传感器(操作温度为 -10?40℃,阻值RTL与RTH为5.827千欧姆(kΩ)与42.470千欧姆),RTL为热敏电阻在低温时的电阻值,RTH为热敏电阻在高温时的 电阻值,根据所选用型号的热敏电阻在高低温时不同的电阻值,再与RT1及RT2配合,将温度信号转变成电压信号,可推算出RT1、RT2的电阻值,计算方 式如下:
  ……(熱敏電阻103AT-2)
  ……(NTC高溫磁滯位准)
  ……(NTC低温磁滞位准) 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脚位(Pin 14)输入介于NTC高低限电压位准范围内的固定电压时,可使电池温度检测功能除能。
  過溫度保護防止充電過熱
  过温度保护(Thermal Shutdown Protection)可避免IC在充电时发生过热情形。
   此功能透过监测充电IC的接面温度(Junction Temperature, TJ),一旦发现TJ的温度已达到过温度点(Thermal Shutdown Threshold, TSHTDWN)约150℃左右时,IC便会立即关闭充电器,使其停止充电;待TJ温度降至约130℃时,IC才会重新启动。
  选用合适充电IC 锂离子电池充电器更稳定
  本文范例IC为开关切换式锂离子电池充电器,内部为同步降压型转换器架构,不须加装额外的开关及二极管,能提供USB及AC Adapter两种输入电源模式选择对电池充电,并具备充电保护功能。
  由于锂離子電池的電氣特性較鎳氫、鎳镉電池穩定,在設計充電器方面也相對容易,只要先了解锂離子電池的相關規格、再依需求選擇合適的充電IC(圖6),就能輕松地設計一個锂離子電池充電器。
  图6 充电IC可检测电池充电情形,使充电器兼顾效能与安全性
統集成。
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