鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：703次 | 2022年09月05日
先進(jìn)的鋰電池系統(tǒng)充電管理和保護(hù)
許多便攜式設(shè)備選擇鋰離子(Li-Ion)化學(xué)電池作為其電池技術(shù)已經(jīng)變得十分普遍。在要求的充電算法方面，這種化學(xué)電池已為人們所熟知，市場上有許多充電管理集成電路(IC)，而其頗具競爭力的低成本又推動(dòng)它在更多應(yīng)用中的使用?，F(xiàn)在，電源、充電IC產(chǎn)品和系統(tǒng)架構(gòu)種類繁多，工程師們忙于選擇出合適的充電和充電保護(hù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文介紹了獲得最大安全性、可靠性和系統(tǒng)性能的一些重要的系統(tǒng)保護(hù)方法和先進(jìn)充電管理。
過壓和過電流保護(hù)的諸多挑戰(zhàn)
諸如移動(dòng)電話、媒體播放器或GpS系統(tǒng)的便攜式終端設(shè)備通常都帶有一個(gè)已知電源電壓和電流特性的專用電源，且一般都具有一個(gè)專用插頭。這樣做的目的是防止消費(fèi)者使用非許可電源或反向連接電源。今天，在更高能效需求的推動(dòng)下，消費(fèi)者和標(biāo)準(zhǔn)組織都要求通用電源接口，旨在讓不同廠商的終端設(shè)備都能夠使用標(biāo)準(zhǔn)化的AC/DC適配器或USB連接。
這給電源設(shè)計(jì)工程師帶來了一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(xiàn)在消費(fèi)者控制著插入設(shè)備的電源?，F(xiàn)在，要求在充電器電路前面新增保護(hù)電路來保護(hù)系統(tǒng)免受過電壓和過電流情況的損壞，同時(shí)防止對(duì)終端設(shè)備帶來嚴(yán)重的破壞。更重要的是，它要消除可能會(huì)給終端用戶帶來危險(xiǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于這種保護(hù)電路要防止“大量未知情況”的發(fā)生，因此它必須在保證設(shè)備在規(guī)定限制范圍內(nèi)得到充電的同時(shí)，還要包括各種輸入電源狀態(tài)。一些實(shí)際應(yīng)用情況的例子是符合我國通用標(biāo)準(zhǔn)充電器規(guī)范的USB充電，以及通過低成本、未調(diào)節(jié)墻上電源進(jìn)行的充電。這些都可能會(huì)出現(xiàn)10V以上的臨時(shí)開路電壓，而且要求充電管理系統(tǒng)仍然充電至該閾值。這就給輸入和輸出保護(hù)電路提出了許多具體的要求。
在較高的電路板空間和成本限制條件下，保護(hù)解決方法的輸入要經(jīng)受盡可能高的電壓。它要在規(guī)定操作環(huán)境下通過電能，并在預(yù)計(jì)過壓保護(hù)閾值(OVp)以上阻擋電能，同時(shí)不損壞設(shè)備。在解決方法的最大絕對(duì)額定值以上，它要中斷“開路”來防止?jié)撛谟泻^電流進(jìn)入系統(tǒng)。不管是電池供電還是直接由AC適配器供電，輸出都必須保證電壓電平不超出子系統(tǒng)的規(guī)范。通常，諸如電壓保護(hù)和處理的子系統(tǒng)均不能承受使用對(duì)過壓敏感的高性價(jià)、低壓工藝技術(shù)所帶來的高壓輸入瞬態(tài)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
從安全性和符合規(guī)范的角度來看，過電流保護(hù)和電流限制可能都是值得的，其目的是不超出上電時(shí)的浪涌電流極限或不超過最大USB電流規(guī)范。
圖1描述了一個(gè)單節(jié)鋰離子電池系統(tǒng)中充電器子系統(tǒng)輸入保護(hù)的兩種情況。在情況A中，充電功能重要由集成于一個(gè)低壓電源管理單元的軟件控制充電電路來實(shí)現(xiàn)。其通常為無線手持設(shè)備、GpS導(dǎo)航系統(tǒng)或藍(lán)牙耳機(jī)的高集成芯片組的組成部分。這種情況下，一個(gè)單獨(dú)的過壓和過電流保護(hù)IC關(guān)于新增必要的保護(hù)功能是非常有意義的。
在情況B中，充電功能由一個(gè)專用獨(dú)立充電器IC來實(shí)現(xiàn)，它對(duì)電池充電和動(dòng)態(tài)電源路徑控制進(jìn)行管理，以保證系統(tǒng)正常工作——即使是使用有缺陷、完全放電的電池組或電池組被去掉的情況下。為了最少化充電控制相關(guān)軟件的開發(fā)工作，系統(tǒng)工程師可能會(huì)選擇這種配置。此外，設(shè)計(jì)人員可能還想要保護(hù)系統(tǒng)，以免受鎖定微控制器帶來的多余、潛在非安全充電行為的損害。在這種應(yīng)用情況下，在充電器IC中集成過電壓保護(hù)和電流限制功能是有很合理的。
圖1輸入保護(hù)和充電管理的系統(tǒng)拓?fù)?/p>
情況A：模擬基帶的系統(tǒng)保護(hù)
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
在模擬基帶所需集成度和成本水平給定的情況下，通常使用基于CMOS技術(shù)的IC工藝，其電壓承受范圍為4.5到6伏特(V)。更低的半導(dǎo)體工藝電壓一般意味著片上電源組件更高的數(shù)字密度和更小的硅芯片尺寸，例如：晶體管和二極管。這便帶來更小的裸片尺寸和封裝，從而獲得更低的總系統(tǒng)成本。但是，其通常還伴隨著更高的過壓敏感度，從而出現(xiàn)電氣過應(yīng)力。
這就是說，保護(hù)解決方法的輸出必須保證在任何輸入環(huán)境下都不超出這個(gè)電平，包括靜態(tài)DC操作電平和瞬態(tài)條件。理想情況下，它調(diào)節(jié)輸出到某個(gè)預(yù)設(shè)限制，同時(shí)在沒有損壞的情況下接受一個(gè)寬輸入范圍。在情況A中，假設(shè)基帶IC和其他子系統(tǒng)組件可以承受約6V的絕對(duì)最大電壓，例如：線性穩(wěn)壓器(LDO)和DC/DC開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換器等。因此，保護(hù)IC的輸出被調(diào)節(jié)到額定5.5V，以容許瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間帶來的調(diào)節(jié)容差。
該保護(hù)電路輸入兼顧“正常使用”環(huán)境、充電時(shí)正常操作期間出現(xiàn)的可承受瞬態(tài)條件，以及系統(tǒng)要徹底保護(hù)的異常瞬態(tài)。
通過USB電源充電在當(dāng)今十分流行，其中，USB2.0規(guī)范規(guī)定額定VBUS工作電壓為5V，最小電壓為4.75V，而最大電壓為5.25V。這些電源可能是符合USB規(guī)范的電腦USB端口或USB集線器。但是，它們也可以從一個(gè)調(diào)節(jié)過的AC/DC墻上適配器獲得電源，其“模仿”USB端口的電源行為。這里的正常使用環(huán)境是指5V額定電壓。但是，新興的我國通用標(biāo)準(zhǔn)充電適配器規(guī)范打算簡化USB端口和適配器供電終端設(shè)備的電源使用，其要求在高達(dá)6V的VBUS電源瞬態(tài)期間也要不間斷充電，而該電壓超出了模擬基帶的額定電壓，并且會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。就這類應(yīng)用而言，建議使用5.85V的輸入OVp電平，超出該電平保護(hù)電路便會(huì)切斷系統(tǒng)的電源。假如在該輸入OVp閾值以下，輸出就會(huì)被調(diào)節(jié)到安全的5.5V。這就是說，達(dá)到OVp電平的運(yùn)行是理想的，并被視作可接受的瞬態(tài)環(huán)境。OVp電平以上的瞬態(tài)環(huán)境被視作異常，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行隔離。假設(shè)系統(tǒng)工作在保護(hù)模式下。一流的集成保護(hù)電路可以承受高達(dá)30V的過壓，并能從這種狀態(tài)下恢復(fù)正常。超出這一電平時(shí)，可新增如齊納二級(jí)管等附加電路來對(duì)30V電平以上的OVpIC進(jìn)行保護(hù)。
在未穩(wěn)壓、低成本AC/DC墻上適配器的應(yīng)用情況中，負(fù)載條件下額定適配器電壓可能規(guī)定為5V。但是，由于這些低成本適配器的固有特性，無負(fù)載條件下在首次接入期間可能會(huì)出現(xiàn)高達(dá)10V的開路電壓，其會(huì)立刻毀壞低壓芯片組。在這種情況下，便會(huì)用到10.5VOVp閾值的保護(hù)電路，保護(hù)電路輸出穩(wěn)壓到安全的5.5V。根據(jù)不同的輸入電源，要選擇具有合適OVp電平的正確解決方法。
圖2顯示了這類線性穩(wěn)壓模式過壓保護(hù)解決方法的電壓保護(hù)情況。
圖2顯示了這類線性穩(wěn)壓模式過壓保護(hù)解決方法的電壓保護(hù)情況。
0V到欠壓鎖定(UVLO)電平（IC工作電平）的輸入電壓情況下，保護(hù)電路的輸出保持在0V。盡管輸入電壓低于調(diào)節(jié)電壓VO(REG)，但是VUVLO以上時(shí)輸出電壓會(huì)跟蹤輸入電壓低于保護(hù)電路的保護(hù)FET的RDS,on帶來的壓降。輸入電壓在VO(REG)和VOVp之間時(shí)（也即容許瞬態(tài)條件閾值），輸出被穩(wěn)壓到5.5V。假如輸入電壓上升至VOVp以上，則保護(hù)FETQ1被關(guān)閉，從而去除輸出電源。其響應(yīng)必須迅速，F(xiàn)ET須在一微秒以內(nèi)關(guān)閉。這種狀態(tài)通過一個(gè)FAULT信號(hào)發(fā)送至主機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)輸入電壓返回到VOVp減去滯后電壓Vhys(OVp)以下但仍然在VUVLO以上時(shí)，保護(hù)FET在一個(gè)tON(OVp)抗尖峰脈沖時(shí)間后再次開啟，以保證輸入電源已穩(wěn)定。
解決方法的過電流保護(hù)(OCp)閾值可以通過一個(gè)電阻器來實(shí)現(xiàn)可編程，以達(dá)到易用性。假如負(fù)載電流要超出IOCp閾值，則器件在tBLANK(OCp)消隱期間對(duì)電流進(jìn)行限制。假如負(fù)載電流在tBLANK(OCp)時(shí)間結(jié)束以前返回至IOCp以下，則該解決方法繼續(xù)工作。但是，假如過電流狀態(tài)持續(xù)處在tBLANK(OCp)，則Q1關(guān)閉一個(gè)tREC(OCp)的恢復(fù)時(shí)間段，同時(shí)發(fā)送一個(gè)故障信號(hào)。FET在恢復(fù)時(shí)間以后再次開啟，并且電流再次受到全程監(jiān)控。一旦OCp故障出現(xiàn)，內(nèi)部計(jì)算器便遞增。假如一個(gè)充電周期內(nèi)出現(xiàn)幾個(gè)OCp故障，則FET就會(huì)被永久關(guān)閉。通過取下并重新接通輸入電源或重啟器件，可以清零計(jì)算器。為了防止輸入電壓出現(xiàn)輸入線纜電感引起的尖峰上升，可以慢慢關(guān)閉Q1，以實(shí)現(xiàn)一次“軟停機(jī)”。
也可以執(zhí)行一種更嚴(yán)格的電池過壓保護(hù)，其對(duì)每個(gè)電池過壓事件均發(fā)送故障信號(hào)。
情況B：綜合保護(hù)和充電功能
在一個(gè)單獨(dú)IC中考慮充電器功能的情況下，應(yīng)該執(zhí)行類似的過壓保護(hù)和電流限制功能，以保護(hù)系統(tǒng)免受DC電源線上過壓峰值的損害，同時(shí)允許使用低成本、未穩(wěn)壓的墻上電源。充電IC還必須進(jìn)行不超出子系統(tǒng)諸多限制的正確的輸出電壓穩(wěn)壓。另外，充電器解決方法現(xiàn)在要對(duì)許多功能進(jìn)行管理，例如：USB電流限制和電源路徑管理等，以保證符合標(biāo)準(zhǔn)和不違反所有工作條件的系統(tǒng)啟動(dòng)。圖3顯示了一個(gè)具有集成OVp和輸入電流限制的USB標(biāo)準(zhǔn)充電執(zhí)行。
當(dāng)今的一些先進(jìn)解決方法，能夠在同時(shí)、獨(dú)立地為電池充電期間也為系統(tǒng)供電。這就減少了電池的充放電周期數(shù)，實(shí)現(xiàn)了正確的充電終止，并使系統(tǒng)能夠運(yùn)行在缺陷或無電池組的情況下，例如：生產(chǎn)測(cè)試環(huán)境等。它甚至還允許在電池完全放電的情況下即時(shí)開啟系統(tǒng)。輸入電流監(jiān)控和限制是達(dá)到USB標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。在許多應(yīng)用情況中，對(duì)電池充電和運(yùn)行系統(tǒng)的輸入電源可以是一個(gè)AC/DC適配器，也可以是一個(gè)USB端口。動(dòng)態(tài)電源路徑管理(DppM)在系統(tǒng)和電池充電之間共享電源電流，并在系統(tǒng)負(fù)載上升時(shí)自動(dòng)減少充電電流。當(dāng)通過USB端口充電時(shí)，假如輸入電壓降至防止USB端口崩潰的閾值以下，則基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理(IDpM)便減少輸入電流。當(dāng)適配器無法供應(yīng)峰值系統(tǒng)電流時(shí)，電源路徑架構(gòu)還允許電池補(bǔ)償這類系統(tǒng)電流要求。我們的標(biāo)準(zhǔn)是使用恒流、恒壓(CCCV)充電方法和利用預(yù)充電和溫度達(dá)標(biāo)的電池預(yù)調(diào)節(jié)。
輸入電壓保護(hù)
與單獨(dú)保護(hù)解決方法類似，充電器應(yīng)防止出現(xiàn)高輸入電壓損壞。當(dāng)輸入電壓高于VOVp的持續(xù)時(shí)間超過抗尖峰脈沖時(shí)間時(shí)，OVp便關(guān)閉輸出穩(wěn)壓，并中斷充電。在OVp時(shí)，系統(tǒng)輸出(OUT)被連接至電池，且充電器發(fā)送一個(gè)差輸入電源信號(hào)。一旦OVp條件消失，一個(gè)新的上電序列便開始，同時(shí)充電器被復(fù)位。
具有輸入電流限制和輸出穩(wěn)壓功能的動(dòng)態(tài)電源路徑管理
在一些具有電源路徑管理的系統(tǒng)中，充電器擁有為外部負(fù)載供電的輸出。這種系統(tǒng)不直接連接至電池，這是很重要的一點(diǎn)。只要電源連接至充電器輸入(IN)或電池輸入(BAT)，則該輸出便有效。
圖3帶動(dòng)態(tài)電源路徑管理功能的線性、USB標(biāo)準(zhǔn)充電器
通過連接如AC/DC適配器或USB端口等電源，DppM電路持續(xù)監(jiān)控輸入電流。充電器輸出可被調(diào)節(jié)到BAT電壓以上200mV。當(dāng)BAT電壓降至3.2V以下時(shí)，OUT被鉗位控制至3.4V。這就允許即使是在電池放電的情況下也可以獲得正確的系統(tǒng)負(fù)載啟動(dòng)。流入IN的電流在OUT下對(duì)電池充電并為系統(tǒng)供電。為了包括各種應(yīng)用，充電電路要具有100mA(USB100)和500mA(USB500)的可選電流限制以通過USB端口進(jìn)行充電，同時(shí)還要有一個(gè)調(diào)節(jié)適應(yīng)不同AC/DC適配器的電阻器可編程輸入電流限制。輸入電流限制選擇由EN1和EN2引腳的狀態(tài)來控制。使用電阻器可編程電流限制時(shí)，輸入電流限制由連接ILIM引腳到VSS的電阻器值設(shè)定。當(dāng)連接IN電源時(shí)，優(yōu)先考慮系統(tǒng)負(fù)載。DppM和電池補(bǔ)償模式均用于維持系統(tǒng)負(fù)載。圖4描述了DppM和補(bǔ)償模式的例子。
圖4DppM和電池補(bǔ)償模式（VOREG=VBAT+225mV，VBAT=3.6V）
基于輸入電壓的DpM(IDpM)可用于電流限制USB端口運(yùn)行。當(dāng)EN1和EN2針對(duì)USB100或USB500模式配置時(shí)，輸入電壓得到監(jiān)控。假如VIN降至某個(gè)特定的輸入電壓閾值，則減小輸入電流限制來阻止輸入電壓進(jìn)一步降低。這樣做可以防止充電器電路破壞設(shè)計(jì)不當(dāng)或錯(cuò)誤配置的USB電源。當(dāng)充電電流和系統(tǒng)負(fù)載電流的和超出由EN1、EN2和ILIM設(shè)定的最大輸入電流時(shí)，OUT電壓就會(huì)下降。一旦OUT引腳的電壓降至DppM閾值以下，充電電流就會(huì)隨著OUT電流新增而減小，以維持系統(tǒng)輸出。
當(dāng)沒有電源連接至IN輸入時(shí)，OUT完全通過電池驅(qū)動(dòng)。該模式下，流入OUT的電流未得到調(diào)節(jié)。但是，要開啟短路電路來防止系統(tǒng)過載充電器。
結(jié)論
鋰離子化學(xué)電池在消費(fèi)類應(yīng)用中的使用已為人們所熟知。許多充電解決方法已經(jīng)不僅僅是對(duì)恒壓和恒流充電進(jìn)行管理。當(dāng)今的充電管理電路要面對(duì)為數(shù)眾多的保護(hù)功能，從輸入過壓及過電流到電池過電壓。為了保證符合各種電源接口和充電標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備在各種電池應(yīng)用環(huán)境下的使用，擁有動(dòng)態(tài)輸入管理和電源路徑管理功能是必需的。
