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鋰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計產品時,須掌握鋰離子電池的相關規格和特性,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、生活質量提升,電子產品的蹤跡到處可見,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,但現在使用鎳氫、鎳鎘電池來做為電源的手機,已經是非常的少見,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于鋰離子電池,在其他電子產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,所以現今標榜著輕薄短小的電子產品,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品首選
  充電電池依其材質的不同可分為四類: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優缺點看來,鎳鎘、鎳氫及鋰離子電池較適合使用在電子產品上;而鋰離子電池無論是在體積、重量及容量(電子產品的使用時間)較優于鎳鎘、鎳氫電池,也無記憶效應的問題,所以鋰離子電池在電子產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,當電池電壓在充電時上升到最高設定電壓后,要立即停止充電,避免電池因過充電造成 電池損毀而產生危險;電池供電(放電)時,電池電壓如果降至最低設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,以避免發生危險;即使大多數的鋰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。
  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備,而鋰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
  電池在充電完成后,若長時間放置不使用會有自然放電的情形出現,為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
  1)Trickle Charge or Pre-Charge
  此時的鋰離子電池電壓小于3伏特(V),當充電器開始對電池充電時,因鋰離子電池的特性,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)定電流充電(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)定電壓充電(Constant Voltage Charge, CV Charge)
  當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。
  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。
  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,為避免電池過度放電導致電池電壓下降,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(各家廠商設定值不同,本文使用范例的充電IC設定值約為10%的最大充電電流),充電時電池電壓上升。
  當電池電壓上升至約3伏特,充電器改以最大充電電流對電池進行CC Charge,電池電壓持續上升。
  當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電源轉換器(Adapter)輸入電源對電池充電,當電池開始充電后,若充電時間超過其設定時間,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,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)
   若電池在充電狀態下,充電時間已超過使用者所設定的充電計時保護時間,但充電器卻仍尚未脫離當前的充電狀態或結束充電,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
  圖4中,STAT1(Pin 12)及STAT2(Pin 13)內部為兩個Open-Drain的N型金屬氧化物半導體(NMOS)開關,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典型應用電路
  表2 充電指示狀態表
  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內部開關會優先選擇AC Adapter端做為充電器的輸入電源;然而,應避免此情況發生。
  .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電阻設定,設定500毫安(mA)適用于USB 2.0,900毫安適用于USB 3.0.
   當使用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RS1電阻的電流來調節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內部開關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,其充電電流設定如下:
  .ACIN充電電流:
  透過圖4中RS1電阻可設定高達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(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,且溫度系數非常大,可用于檢測微小的溫度變化,因而被廣泛的應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,會立即關閉內部的同步降壓器并停止充電動作;當電池溫度回復至正常溫度范圍時,充電器將重新恢復充電動作。
   內建的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)
  ……(NTC低溫磁滯位準) 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高低限電壓位準范圍內的固定電壓時,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在充電時發生過熱情形。
   此功能透過監測充電IC的接面溫度(Junction Temperature, TJ),一旦發現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定
  本文范例IC為開關切換式鋰離子電池充電器,內部為同步降壓型轉換器架構,不須加裝額外的開關及二極管,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、鎳鎘電池穩定,在設計充電器方面也相對容易,只要先了解鋰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
統集成。
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