鋰離子電池充放電安全及電池檢測設計

鋰離子電池充放電安全及電池檢測設計

佚名 發表於 2014-08-26 14:55:11

　　手機的鋰離子電池充電安全性日益受到消費者重視，因此充電器製造商在設計產品時，須掌握鋰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晶片，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慧型手機，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於鋰離子電池，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）較優於鎳鎘、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範圍限制。由於鋰離子電池的特性，當電池電壓在充電時上升到最高設定電壓後，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

　　電池在充電完成後，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，當電池電壓低於所設定電壓時，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於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。

　　電池在充電完成後，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，本文使用範例的充電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於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，當電池開始充電後，若充電時間超過其設定時間，充電器仍然操作 於Pre-Charge模式而未進入CC Charge模式，或者仍然操作於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為本文範例充電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，對於使用安全至關重要

　　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電源於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）適用於USB 2.0，900毫安適用於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內部開關皆會截止並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

　　本文範例晶片提供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

　　負溫度係數（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，且溫度係數非常大，可用於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範圍。

　　

　　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範圍，會立即關閉內部的同步降壓器並停止充電動作;當電池溫度回復至正常溫度範圍時，充電器將重新恢復充電動作。

　 　內建的NTC磁滯溫度比較器，可接受的電壓範圍為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） 整理後可得：

　　

　　……（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）輸入介於NTC高低限電壓位準範圍內的固定電壓時，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

　　本文範例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體，能提供USB及AC Adapter兩種輸入電源模式選擇對電池充電，並具備充電保護功能。

　　由於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），就能輕鬆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

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴