鉅大LARGE | 點擊量：718次 | 2022年09月05日
先進的鋰電池系統(tǒng)充電管理和保護
許多便攜式設備選擇鋰離子(Li-Ion)化學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它在更多應用中的使用。現(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拓撲結(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)保護方法和先進充電管理。
過壓和過電流保護的諸多挑戰(zhàn)
諸如移動電話、媒體播放器或GpS系統(tǒng)的便攜式終端設備通常都帶有一個已知電源電壓和電流特性的專用電源，且一般都具有一個專用插頭。這樣做的目的是防止消費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下，消費者和標準組織都要求通用電源接口，旨在讓不同廠商的終端設備都能夠使用標準化的AC/DC適配器或USB連接。
這給電源設計工程師帶來了一個巨大的挑戰(zhàn)，因為現(xiàn)在消費者控制著插入設備的電源。現(xiàn)在，要求在充電器電路前面新增保護電路來保護系統(tǒng)免受過電壓和過電流情況的損壞，同時防止對終端設備帶來嚴重的破壞。更重要的是，它要消除可能會給終端用戶帶來危險的安全風險。由于這種保護電路要防止“大量未知情況”的發(fā)生，因此它必須在保證設備在規(guī)定限制范圍內(nèi)得到充電的同時，還要包括各種輸入電源狀態(tài)。一些實際應用情況的例子是符合我國通用標準充電器規(guī)范的USB充電，以及通過低成本、未調(diào)節(jié)墻上電源進行的充電。這些都可能會出現(xiàn)10V以上的臨時開路電壓，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，并在預計過壓保護閾值(OVp)以上阻擋電能，同時不損壞設備。在解決方法的最大絕對額定值以上，它要中斷“開路”來防止?jié)撛谟泻^電流進入系統(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，諸如電壓保護和處理的子系統(tǒng)均不能承受使用對過壓敏感的高性價、低壓工藝技術(shù)所帶來的高壓輸入瞬態(tài)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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，過電流保護和電流限制可能都是值得的，其目的是不超出上電時的浪涌電流極限或不超過最大USB電流規(guī)范。
圖1描述了一個單節(jié)鋰離子電池系統(tǒng)中充電器子系統(tǒng)輸入保護的兩種情況。在情況A中，充電功能重要由集成于一個低壓電源管理單元的軟件控制充電電路來實現(xiàn)。其通常為無線手持設備、GpS導航系統(tǒng)或藍牙耳機的高集成芯片組的組成部分。這種情況下，一個單獨的過壓和過電流保護IC關(guān)于新增必要的保護功能是非常有意義的。
在情況B中，充電功能由一個專用獨立充電器IC來實現(xiàn)，它對電池充電和動態(tài)電源路徑控制進行管理，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)工程師可能會選擇這種配置。此外，設計人員可能還想要保護系統(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。在這種應用情況下，在充電器IC中集成過電壓保護和電流限制功能是有很合理的。
圖1輸入保護和充電管理的系統(tǒng)拓撲
情況A：模擬基帶的系統(tǒng)保護
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)電氣過應力。
這就是說，保護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)輸出到某個預設限制，同時在沒有損壞的情況下接受一個寬輸入范圍。在情況A中，假設基帶IC和其他子系統(tǒng)組件可以承受約6V的絕對最大電壓，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IC的輸出被調(diào)節(jié)到額定5.5V，以容許瞬態(tài)響應時間帶來的調(diào)節(jié)容差。
該保護電路輸入兼顧“正常使用”環(huán)境、充電時正常操作期間出現(xiàn)的可承受瞬態(tài)條件，以及系統(tǒng)要徹底保護的異常瞬態(tài)。
通過USB電源充電在當今十分流行，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，新興的我國通用標準充電適配器規(guī)范打算簡化USB端口和適配器供電終端設備的電源使用，其要求在高達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，并且會導致?lián)p壞。就這類應用而言，建議使用5.85V的輸入OVp電平，超出該電平保護電路便會切斷系統(tǒng)的電源。假如在該輸入OVp閾值以下，輸出就會被調(diào)節(jié)到安全的5.5V。這就是說，達到OVp電平的運行是理想的，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，要對系統(tǒng)進行隔離。假設系統(tǒng)工作在保護模式下。一流的集成保護電路可以承受高達30V的過壓，并能從這種狀態(tài)下恢復正常。超出這一電平時，可新增如齊納二級管等附加電路來對30V電平以上的OVpIC進行保護。
在未穩(wěn)壓、低成本AC/DC墻上適配器的應用情況中，負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，無負載條件下在首次接入期間可能會出現(xiàn)高達10V的開路電壓，其會立刻毀壞低壓芯片組。在這種情況下，便會用到10.5VOVp閾值的保護電路，保護電路輸出穩(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)壓模式過壓保護解決方法的電壓保護情況。
圖2顯示了這類線性穩(wěn)壓模式過壓保護解決方法的電壓保護情況。
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以上時輸出電壓會跟蹤輸入電壓低于保護電路的保護FET的RDS,on帶來的壓降。輸入電壓在VO(REG)和VOVp之間時（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FETQ1被關(guān)閉，從而去除輸出電源。其響應必須迅速，F(xiàn)ET須在一微秒以內(nèi)關(guān)閉。這種狀態(tài)通過一個FAULT信號發(fā)送至主機系統(tǒng)。當輸入電壓返回到VOVp減去滯后電壓Vhys(OVp)以下但仍然在VUVLO以上時，保護FET在一個tON(OVp)抗尖峰脈沖時間后再次開啟，以保證輸入電源已穩(wěn)定。
解決方法的過電流保護(OCp)閾值可以通過一個電阻器來實現(xiàn)可編程，以達到易用性。假如負載電流要超出IOCp閾值，則器件在tBLANK(OCp)消隱期間對電流進行限制。假如負載電流在tBLANK(OCp)時間結(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tREC(OCp)的恢復時間段，同時發(fā)送一個故障信號。FET在恢復時間以后再次開啟，并且電流再次受到全程監(jiān)控。一旦OCp故障出現(xiàn)，內(nèi)部計算器便遞增。假如一個充電周期內(nèi)出現(xiàn)幾個OCp故障，則FET就會被永久關(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，以實現(xiàn)一次“軟停機”。
也可以執(zhí)行一種更嚴格的電池過壓保護，其對每個電池過壓事件均發(fā)送故障信號。
情況B：綜合保護和充電功能
在一個單獨IC中考慮充電器功能的情況下，應該執(zhí)行類似的過壓保護和電流限制功能，以保護系統(tǒng)免受DC電源線上過壓峰值的損害，同時允許使用低成本、未穩(wěn)壓的墻上電源。充電IC還必須進行不超出子系統(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)在要對許多功能進行管理，例如：USB電流限制和電源路徑管理等，以保證符合標準和不違反所有工作條件的系統(tǒng)啟動。圖3顯示了一個具有集成OVp和輸入電流限制的USB標準充電執(zhí)行。
當今的一些先進解決方法，能夠在同時、獨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)，實現(xiàn)了正確的充電終止，并使系統(tǒng)能夠運行在缺陷或無電池組的情況下，例如：生產(chǎn)測試環(huán)境等。它甚至還允許在電池完全放電的情況下即時開啟系統(tǒng)。輸入電流監(jiān)控和限制是達到USB標準的關(guān)鍵。在許多應用情況中，對電池充電和運行系統(tǒng)的輸入電源可以是一個AC/DC適配器，也可以是一個USB端口。動態(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)負載上升時自動減少充電電流。當通過USB端口充電時，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態(tài)電源管理(IDpM)便減少輸入電流。當適配器無法供應峰值系統(tǒng)電流時，電源路徑架構(gòu)還允許電池補償這類系統(tǒng)電流要求。我們的標準是使用恒流、恒壓(CCCV)充電方法和利用預充電和溫度達標的電池預調(diào)節(jié)。
輸入電壓保護
與單獨保護解決方法類似，充電器應防止出現(xiàn)高輸入電壓損壞。當輸入電壓高于VOVp的持續(xù)時間超過抗尖峰脈沖時間時，OVp便關(guān)閉輸出穩(wěn)壓，并中斷充電。在OVp時，系統(tǒng)輸出(OUT)被連接至電池，且充電器發(fā)送一個差輸入電源信號。一旦OVp條件消失，一個新的上電序列便開始，同時充電器被復位。
具有輸入電流限制和輸出穩(wěn)壓功能的動態(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。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帶動態(tài)電源路徑管理功能的線性、USB標準充電器
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BAT電壓降至3.2V以下時，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)負載啟動。流入IN的電流在OUT下對電池充電并為系統(tǒng)供電。為了包括各種應用，充電電路要具有100mA(USB100)和500mA(USB500)的可選電流限制以通過USB端口進行充電，同時還要有一個調(diào)節(jié)適應不同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，輸入電流限制由連接ILIM引腳到VSS的電阻器值設定。當連接IN電源時，優(yōu)先考慮系統(tǒng)負載。DppM和電池補償模式均用于維持系統(tǒng)負載。圖4描述了DppM和補償模式的例子。
圖4DppM和電池補償模式（VOREG=VBAT+225mV，VBAT=3.6V）
基于輸入電壓的DpM(IDpM)可用于電流限制USB端口運行。當EN1和EN2針對USB100或USB500模式配置時，輸入電壓得到監(jiān)控。假如VIN降至某個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一步降低。這樣做可以防止充電器電路破壞設計不當或錯誤配置的USB電源。當充電電流和系統(tǒng)負載電流的和超出由EN1、EN2和ILIM設定的最大輸入電流時，OUT電壓就會下降。一旦OUT引腳的電壓降至DppM閾值以下，充電電流就會隨著OUT電流新增而減小，以維持系統(tǒng)輸出。
當沒有電源連接至IN輸入時，OUT完全通過電池驅(qū)動。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
鋰離子化學電池在消費類應用中的使用已為人們所熟知。許多充電解決方法已經(jīng)不僅僅是對恒壓和恒流充電進行管理。當今的充電管理電路要面對為數(shù)眾多的保護功能，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準，并實現(xiàn)電子設備在各種電池應用環(huán)境下的使用，擁有動態(tài)輸入管理和電源路徑管理功能是必需的。
