整合式CFE防護(hù)提高充電系統(tǒng)層級安全性 - 全文

　　本文將探討鋰電池安全性、充電電池設(shè)計(jì)、安全監(jiān)控，以及充電系統(tǒng)安全性等主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)考量。

　　電池充電器IC角色關(guān)鍵

　　圖1顯示一般的電池充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸入可以是交流電(AC)墻式轉(zhuǎn)接器供應(yīng)的直流電(DC)電源，或通用序列匯流排(USB)介面供應(yīng)的DC電源。一般的電池充電系統(tǒng)包括充電前端(CFE)、電池充電器及電池組。CFE防護(hù)積體電路(IC)整合輸入過壓、過流及電池過壓等防護(hù)機(jī)制，能夠提高電池供電系統(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，以延長電池使用壽命，并提高安全性。了解鋰電池特性，對于設(shè)計(jì)更安全的充電系統(tǒng)而言相當(dāng)重要。

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　　圖1 一般的電池充電系統(tǒng)

　　鋰電池安全性不可忽視

　　由于鋰電池采用活性極高的材料，因此必須注意運(yùn)作溫度過高會加速電池衰減，導(dǎo)致熱失控，甚至使鋰電池爆裂的問題。如果電池在高電流下過度充電或發(fā)生短路，就會出現(xiàn)快速升溫的現(xiàn)象。

　　鋰電池過度充電時，活性金屬鋰就會沉積在正極上，這種材料會大幅提高火災(zāi)發(fā)生機(jī)率，因?yàn)橹灰佑|電解液和負(fù)極材料就會爆裂。例如，鋰/碳嵌入化合物遇水會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而反應(yīng)產(chǎn)生的高溫可點(diǎn)燃釋放的氫氣。

　　對于4.3伏特(V)電池電壓而言，氧化鋰鈷(LiCoO2)等負(fù)極材料在溫度超過熱失控臨界值175℃時，就會與電解液發(fā)生反應(yīng)(圖2)。鋰電池采用聚烯烴(Polyolefin)等多微孔薄膜(Micro-porous Film)將正負(fù)電極加以電隔離。這些電極可達(dá)到絕佳的機(jī)械屬性與化學(xué)穩(wěn)定性，且價格合理。聚烯烴的熔點(diǎn)較低，介于135～165℃之間，可作為溫度保險(xiǎn)絲。隨著溫度接近聚合物的熔點(diǎn)，便不再具有滲透性(Porosity)，在鋰離子不再于電極之間流動時關(guān)閉電池。

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　　圖2 電池?zé)崾Э?/p>

　　此外，正向溫度系數(shù)(PTC)裝置和安全出口(Vent)能提供額外防護(hù)，一般而言，負(fù)極終端外殼通常采用鍍鎳鋼鐵。外殼封閉后，金屬粒子會污染電池內(nèi)部。這些粒子會隨著時間進(jìn)入分離器，導(dǎo)致電池正負(fù)極兩側(cè)之間的絕緣層衰減，這會造成正負(fù)極之間的微小短路，使電子自由流動，最終導(dǎo)致電池故障。這種故障通常只會導(dǎo)致電池電量耗盡，無法正常運(yùn)作。在極罕見情況下，電池會出現(xiàn)過熱、融化、起火甚至爆裂等現(xiàn)象。

　　安全電池充電器設(shè)計(jì)三部曲

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　　圖3顯示常用的鋰電池充電配置，鋰電池充電包括三個階段，首先是預(yù)先充電，接著是快速充電穩(wěn)定電流(CC)，最后是穩(wěn)定電壓(CV)。在預(yù)先充電中，電池以低速率充電。電池電壓低于3.0伏特時，充電速率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，長期沉積后可能溶解，便可逐漸恢復(fù)。此外，過度放電的陽極短路電池上出現(xiàn)部分銅分解時，預(yù)先充電可防止在1℃充電速率(可在1個小時內(nèi)使電池完全放電的電流)下出現(xiàn)過熱狀況。

　　圖3 鋰電池充電配置

　　預(yù)先充電安全計(jì)時器，可避免電量耗盡的電池長時間充電。一般而言，電池電壓達(dá)到3.0伏特，充電器就會進(jìn)入CC階段?？焖俪潆婋娏魍ǔＯ薅ㄔ?.5～1℃之間，以避免過熱導(dǎo)致電池加速衰減。速率必須慎選，確保電池溫度不超過45℃，以快速充電速率進(jìn)行電池充電，直至電壓達(dá)到調(diào)節(jié)限度(對于LiCoO2的陰極通常是每顆電池4.2伏特)為止。充電器開始調(diào)節(jié)電池電壓并進(jìn)入CV階段，此時充電電流會等比下降至預(yù)先定義的終止程度，結(jié)束電池充電。

　　對于電池使用壽命及安全性而言，電池充電電壓的準(zhǔn)確性相當(dāng)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，如圖4所示。對于±2.5%容差的電池充電電壓而言，充電電壓可能會達(dá)到4.3伏特，這會導(dǎo)致熱失控及安全性問題。為避免電池高溫充電，并提高安全性，充電器IC必須監(jiān)控電池組的溫度。只有在電池溫度維持在安全范圍內(nèi)(0～45℃)時，電池才能充電，電池組通常會利用電熱調(diào)節(jié)器讓溫度達(dá)到安全范圍。此外，通常須要快速充電安全計(jì)時器，避免電量耗盡的電池長時間充電。一旦經(jīng)過安全時間，即便電池未達(dá)到充電終止電流狀態(tài)，電池充電器也必須結(jié)束充電。

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　　圖4 LiCoO2陰極鋰電池的充電電壓與使用壽命之間的關(guān)系

　　使用高度整合式線性電池充電器為單顆鋰電池充電相當(dāng)普遍，因?yàn)檫@類充電器符合可攜式裝置的設(shè)計(jì)簡化、低成本及小體積尺寸等需求。其中的設(shè)計(jì)難題，在于使電池充電器維持在安全溫度運(yùn)作范圍內(nèi)，同時盡可能降低產(chǎn)生的熱量。最新開發(fā)的電池充電器具備散熱調(diào)節(jié)功能，能夠達(dá)到最高的充電速率，并且盡可能縮短充電時間，同時解決散熱問題。

　　線性充電器只是將轉(zhuǎn)接器的DC電壓調(diào)降至電池電壓的程度。線性充電器的功耗計(jì)算如下：

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　　充電器從預(yù)先充電轉(zhuǎn)換為快速充電模式，且達(dá)最高功耗時，輸入電壓與電池電壓間的差異便相當(dāng)大。例如，若使用5伏特轉(zhuǎn)接器為1,200毫安培小時(mAh)鋰電池充電，當(dāng)充電電流為1安培(A)且電池電壓為3.2伏特時，最大功耗即為1.8瓦(W)。對于熱阻抗為47℃/瓦的3毫米×3毫米四方形平面無接腳封裝(QFN)，功耗會造成溫度升高85℃。接點(diǎn)溫度會超過允許的操作溫度上限(45℃環(huán)境溫度下為125℃)。確保良好的散熱設(shè)計(jì)在開始充電時，將接點(diǎn)溫度維持在安全范圍內(nèi)，是一項(xiàng)相當(dāng)困難的工作。在充電過程中，隨著電池電壓升高，功耗也會逐漸下降。

　　散熱調(diào)節(jié)回路可避免充電器過熱

　　如何確保充電器維持在安全溫度運(yùn)作范圍內(nèi)，并提升散熱設(shè)計(jì)是一大挑戰(zhàn)，較進(jìn)階的電池充電器采用散熱調(diào)節(jié)回路避免充電器過熱。內(nèi)部晶片溫度達(dá)到預(yù)先定義的溫度臨界值時，如110℃，后續(xù)的IC溫度提高，都會減少充電電流，如此即可限制功耗，提升充電器的過熱防護(hù)。導(dǎo)致IC接點(diǎn)溫度達(dá)散熱調(diào)節(jié)程度的最大功耗，取決于印刷電路板(PCB)配置、散熱通孔數(shù)及環(huán)境溫度(圖5)。

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　　圖5 電池充電器的一般應(yīng)用電路

　　散熱回路運(yùn)作時，充電電流會達(dá)到充電終止臨界值，這會導(dǎo)致錯誤終止充電，因?yàn)樯嵴{(diào)節(jié)功能通常是在快速充電的早期階段啟動。為避免錯誤終止充電，只要散熱調(diào)節(jié)回路處于運(yùn)作狀態(tài)，就不會使電池充電終止。此外，有效充電電流也會減少，使電池充電時間增加，因此，固定式安全計(jì)時器可能導(dǎo)致充電安全計(jì)時器錯誤終止。先進(jìn)的電池充電器采用可自動減速時脈頻率的動態(tài)安全計(jì)時器，動態(tài)計(jì)時器控制電路可有效延長安全計(jì)時器持續(xù)時間，大幅降低安全計(jì)時器因散熱調(diào)節(jié)引起的故障機(jī)率。

　　加入第二層過壓防護(hù)提高電池安全性

　　如何才能提高系統(tǒng)層級充電的安全性和可靠性呢?一般可采用許多不同的轉(zhuǎn)接器為可攜式裝置供電，但不同的制造商往往采用不同的電流規(guī)格，使得可攜式裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須克服技術(shù)難題，在使用不同轉(zhuǎn)接器時滿足各種安全要求，其中的困難包括輸入過壓、輸入過流、電池過壓及反向輸入電壓，這些都會造成系統(tǒng)損壞。

　　轉(zhuǎn)接器熱插拔、轉(zhuǎn)接器錯誤、暫態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)過壓等問題，都可能導(dǎo)致輸入過壓。當(dāng)轉(zhuǎn)接器熱插入時，纜線電感與系統(tǒng)輸入解耦合電容之間的諧振會導(dǎo)致過壓。對于獨(dú)立式充電器而言，輸入過流可能不會造成問題，因?yàn)榉€(wěn)定電流模式會限制供應(yīng)給輸出或電池的電流量。不過，對于系統(tǒng)輸入有直接電源路徑的先進(jìn)電池充電器而言，在輸入過多電流時通常沒有任何防護(hù)。

　　長期以來，設(shè)計(jì)人員對于轉(zhuǎn)接器在電流限制模式下運(yùn)作有些顧慮，希望可程式輸入電流限制電路能確保轉(zhuǎn)接器不進(jìn)入此模式。鋰離子/鋰聚合物電池組在高溫下過度充電，可能會發(fā)生危險(xiǎn)的燃燒狀況。過度充電的跡象就是電池電壓升高。愈來愈多制造商都在尋找可確保電池組安全性與規(guī)范的安全措施，若要提高電池安全性，可加入第二層過壓防護(hù)移除輸入電源，在偵測電池過壓時關(guān)閉CFE功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(MOSFET)即可。

　　圖6顯示一般系統(tǒng)層級CFE電路。高電壓防護(hù)CFE可將高輸入電壓與低壓充電器及系統(tǒng)相隔離，以免系統(tǒng)出現(xiàn)高電壓。整合所有安全功能，包括輸入電流限制與防護(hù)、輸入電壓防護(hù)及電池過壓防護(hù)。無論出現(xiàn)何種故障狀況，CFE都會關(guān)閉MOSFET進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)，以提升整體系統(tǒng)安全性。

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　　圖6 一般的系統(tǒng)層級CFE電路

　　依據(jù)電池特性、充電器IC設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)層級安全考量，對設(shè)計(jì)更安全的電池充電系統(tǒng)相當(dāng)重要，運(yùn)用CFE、電池充電器IC及電池組的安全防護(hù)機(jī)制，充電系統(tǒng)可發(fā)揮更穩(wěn)定的安全效能。完全整合式CFE可提高充電系統(tǒng)層級安全性，而更安全的電池充電器設(shè)計(jì)可延長電池使用壽命，并避免過度充電的危險(xiǎn)。