锂离子电池充放电安全及电池检测设计

        手机的锂离子电池充电安全性日益受到消费者重视，因此充电器制造商在设计产品时，须掌握锂离子电池的相关规格和特性，并使用具备完善电池检测及保护功能的充电芯片，以降低过电流、过电压或过温等状况所造成的危险。
随着科技进步、生活质量提升，电子产品的踪迹到处可见，其中又以手机为人类生活中不可或缺的必需品。不论是早期黑金刚手机或现今功能强大的智能手机，皆需要电源才能运作。
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。  
智能型手机因其功能强大、屏幕耗电量大，更是需要电池容量大及电力更耐久的锂离子电池。当手机电池电量不足时，使用者通常会以充电器或搭配一组移动电源随时对电池进行充电。  
体积/容量兼具 锂离子电池为电子产品首选
充电电池依其材质的不同可分为四类：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。  


表1 充电电池比较表

由表1优缺点看来，镍镉、镍氢及锂离子电池较适合使用在电子产品上；而锂离子电池无论是在体积、重量及容量(电子产品的使用时间)较优于镍镉、镍氢电池，也无记忆效应的问题，所以锂离子电池在电子产品使用上似乎方便许多。  
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，为确保电池使用上的安全，锂离子电池还必须要加装短路保护，以避免发生危险；即使大多数的锂离子电池都有加装保护电路，然而在选择优质的充电器或移动电源时，这仍然是一项重要的考量因素。  


       

锂离子电池充电器首重安全
充电器是将电池充至其额定电压的设备，而锂离子电池充电器必须具备以下几点特性：  
．可提供固定电流给充电电池
当电池电压到达最大值且不再上升时，其充电电流便会开始下降，如此可避免对电池过度充电，造成电池损伤；当充电电流降至一定程度时，充电器将停止充电。  
．确保电池具备可使用电压
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，为避免电池过度自放电导致电池电压下降，当电池电压低于所设定电压时，充电器会重新开始对电池充电，确保电池在使用时还能维持一定电压。  
四阶段充电简述
以下使用沛亨半导体的充电集成电路(IC)--AIC6511做锂离子电池充电简介，图1为锂离子电池充电曲线图：  


图1　锂离子电池充电曲线图

．Trickle Charge or Pre-Charge  
此时的锂离子电池电压小于3伏特(V)，当充电器开始对电池充电时，因锂离子电池的特性，其内部阻抗会很大，故充电器会先以一微小电流对电池进行充电，此时电池电压持续上升。  
．定电流充电(Constant Current Charge, CC Charge)  
当电池充电电压上升至约3伏特时，充电器改以最大充电电流对电池进行定电流充电，此时电池电压持续上升。  
．定电压充电(Constant Voltage Charge, CV Charge)
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，充电器改以定电压模式对电池进行充电，此时充电电流开始下降。  
．Charge Full  
当充电电流降至微小电流时，充电器停止对电池充电。  
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。  
锂离子电池充电周期  
因锂离子电池的特性，若锂离子电池在充电之前已深度放电，此时充电器会先以微弱电流对电池进行Pre-Charge充电(各家厂商设定值不同，本文使用范例的充电IC设定值约为10%的最大充电电流)，充电时电池电压上升。  
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。  


       
充电计时保护确保电池安全  
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充电时间：  


......(Minutes)  
．完整充电时间：  


......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。

当输入电源重置、EN信号触发时，皆能解除充电计时保护时间，使其重新计时。  
充电指示状态  
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





       
输入电源检测防止电池漏电流倒灌  
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。  
充电电流设定  
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充电电流：
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输入限制电流：  
透过RILIM电阻可设定其输入限制电流(USBIN Input Current Limit)。  


......(mA)  
NTC热敏电阻维持电池温度安全  
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：


......(热敏电阻103AT-2)  


......(NTC高温磁滞位准)  


......(NTC低温磁滞位准) 整理后可得：  


......(kΩ)


......(kΩ)  
RT1及RT2选用12千欧姆和5千欧姆，即可完成NTC保护功能。  
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。  
过温度保护防止充电过热  
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。  
由于锂离子电池的电气特性较镍氢、镍镉电池稳定，在设计充电器方面也相对容易，只要先了解锂离子电池的相关规格、再依需求选择合适的充电IC(图6)，就能轻松地设计一个锂离子电池充电器。  


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。图片来源：沛亨半导体