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鋰離子電池是一種應(yīng)用廣泛的可充電電池，它具有單體工作電壓高、體積小、重量輕、能量密度高、循環(huán)使用壽命長，可在較短時(shí)間內(nèi)快速充足電以及允許放電溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。此外，鋰離子電池還有自放電電流小，無記憶效 應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。而隨著鋰離子電池的使用面的擴(kuò)大，對鋰離子電池的充放電保護(hù)就顯得愈發(fā)重要。尤其是在有些應(yīng)用中，較長的電池壽命、較多的充電次數(shù)或較安全的電池比電池容量更重要。這就是人們最關(guān)心的為鋰離子電池使用配置好安全技術(shù)的關(guān)鍵。 本文就充放電過程的溫度控制技術(shù)、電池充電電源短路保護(hù)與選擇電池充電器以延長電池壽命等芯片應(yīng)用的方案配置作介紹。 充放電過程的溫度控制 為什么對充放電過程的溫度控制也是許多設(shè)計(jì)者需要考慮的一個(gè)方面,即限制電池溫度技術(shù)是延長電池壽命的重要因素?這是因?yàn)樵诟邷氐臅r(shí)候?qū)︿囯x子電池充放電，會(huì)有爆炸的危險(xiǎn);在低溫的時(shí)候充放電，會(huì)對電芯造成損害。而限制電池的極限溫度可以延長電池壽命，尤其是禁止在0℃以下充電。在0℃以下充電促進(jìn)金屬在電池陽極上的鍍數(shù)，這可能造成內(nèi)部短路，產(chǎn)生熱量并使電池不穩(wěn)定和不安全。很多電池充電器都有測量電池溫度的裝置，以確保不會(huì)在極限溫度時(shí)充電。 限制或控制電池溫度技術(shù)應(yīng)用舉例 USB/交流適配器Li+電池充電器，帶有0.05Ω斷開開關(guān)。圖1為用MAX8606實(shí)現(xiàn)保持安全的工作溫度和持續(xù)不間斷充電，溫度調(diào)節(jié)功能可自動(dòng)降低充電電流應(yīng)用方案。 圖1 用MAX8606實(shí)現(xiàn)保持安全的工作溫度和持續(xù)不間斷充電，溫度調(diào)節(jié)功能可自動(dòng)降低充電電流 MAX8606是帶溫度調(diào)節(jié)功能的線性Li+電池充電器，內(nèi)部集成低RDS(oN)電池?cái)嚅_開關(guān)，可工作于USB端口或交流適配器。它滿足USB的過流規(guī)范要求，掛起模式下僅吸取不到30μA的USB電流。與交流適配器連接時(shí)，內(nèi)部功率FET支持高達(dá)1A的充電電流，可保證耐受高達(dá)14V的輸入瞬態(tài)電壓。即使在沒有安裝電池或者電池已深度放電的情況下，SYS輸出配合電池?cái)嚅_開關(guān)，仍可通過USB或交流適配器輸入給系統(tǒng)供電。為保持安全的工作溫度和持續(xù)不間斷充電，溫度調(diào)節(jié)功能可自動(dòng)降低充電電流。 其限制或控制電池溫度技術(shù)是通過EN1與EN2引腳實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)置的掛起模式，l00mA，500mA和高達(dá)1A輸入的限制。SET是充電電流監(jiān)視器功能。 充電前也可給系統(tǒng)靈活供電,同時(shí)給電池充電和系統(tǒng)供電,無需外部阻斷肖特基二極管、檢流電阻或FET;低壓差內(nèi)部充電FET，0.5A時(shí)0.25V;高達(dá)1A的可編程快充電流;輸入電流限制滿足USB規(guī)范;電池充電和系統(tǒng)供電之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流調(diào)節(jié);先進(jìn)的恒流、恒壓和管芯恒溫(CCCVCTJ)技術(shù);超過6VIN的過壓保護(hù)(最大14VIN)。 用MAX8808實(shí)現(xiàn)1A Li+恒壓，恒流，溫度調(diào)控的充電器方案。它具有高達(dá)15V的適配器輸入，而MAX8808在微小的4mm2封裝面積內(nèi)集成了功率MOSFET、反向電流隔離二極管以及檢流電阻，并且能在如此小尺寸的封裝內(nèi)進(jìn)行快速、安全的充電。MAX8808可調(diào)節(jié)器件的溫度、電流和電壓，從而省掉了笨重的散熱器，并解決了小型手持設(shè)備，例如蜂窩電話、PDA以及數(shù)碼相機(jī)等在散熱管理方面的顧慮。它的熱調(diào)節(jié)技術(shù)降低了環(huán)境溫升，提高了可靠性，并降低了因安全余量要求所造成的成本。為避免只經(jīng)過粗略調(diào)整的廉價(jià)交流適配器對其造成損害。 MAX8808能夠保證承受高達(dá)15V的瞬態(tài)輸入，并具有內(nèi)置的過壓保護(hù)(OVP)電路，防止在故障情況下進(jìn)行充電。 微型、熱增強(qiáng)型TDFN封裝(0.8mm高);專有的溫度和CC-CV調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)最安全和最快速的充電;0.5A電流下0.3V壓降;高有效邏輯使能(MAX8088Y);省去預(yù)調(diào)理狀態(tài)(MAX808Z)與軟啟動(dòng)。 電池組保護(hù)電路 很多電池含有電池組保護(hù)電路，如果超過最高電池電壓，該電路暫時(shí)斷開電池連接。 用bq24314芯片實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)-完整的鋰離子充電器前端保護(hù)。 芯片bq24314具有集成功率FET;Vin極大值為30V;OCP可編程電流高達(dá)15A;電池OVP為4.35V;有故障指示特性。 該芯片提供針對三個(gè)變量的保護(hù)功能(圖2)，即輸入過壓與輸入過流及電池過壓;30V極大輸入電壓;對于電流瞬態(tài)引起的錯(cuò)誤觸發(fā)有較高的抗擾度;熱關(guān)斷，即故障狀態(tài)顯示與目前上市的極小解決方案。bq24300與bq24314充電器前端電路產(chǎn)品系列，可為充電中的手持式設(shè)備提供系統(tǒng)保護(hù)。這款體積小巧的安全電路可提供三層保護(hù)功能，即輔人過壓、輔人過流與電池過壓保護(hù)狀態(tài)。 圖2 bq24314芯片應(yīng)用示意圖 帶有輸入電流限制和安全定時(shí)器的低成本SMBus充電器 圖3是用MAX8731A實(shí)現(xiàn)帶有輸入電流限制和安全定時(shí)器的充電器方案圖。高效率的MAX8731MdAⅪ535C能夠?yàn)槿魏位瘜W(xué)類型的電池充電。它可以限制輸入電流，使從交流適配器吸出的電流不超出預(yù)定值，降低了交流適配器的尺寸和成本。輸入電流限、電池浮充電壓和充電電流限都可通過SMBus接口設(shè)定。它采用先進(jìn)的同步buck調(diào)節(jié)器控制電路，最大占空比可超過99%，降低了最小輸人到輸出電壓差。MAX8731A/MAⅪ535C能夠?yàn)橐弧⒍�、三或四�?jié)串聯(lián)的Li/電池組充電，提供高達(dá)8A的充電電流。MAX8731A采用高邊n溝道MOSFET，成本更低，效率更高。該器件同時(shí)提供監(jiān)視交流適配器電流的輸出信號(hào)。 圖3 用MAX8731A實(shí)現(xiàn)帶有輸入電流限制和安全定時(shí)器的充電器方案圖 避免電池與PWM充電電源短路 電池充電器受控于基帶微處理器，如果微處理器停止運(yùn)行可能造成電池過充、損壞電池。在圖4所示充電電路中，如果基帶微處理器閉鎖時(shí)充電電源仍與電池相連，則有可能造成電池過充、損壞電池。為解決這一問題需在電路中添加一個(gè)監(jiān)視器，對PWM輸入信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)檢測不到PWM輸入端信號(hào)，則切斷電源與電池的連接。為保證電路的可靠性，保護(hù)電路應(yīng)該獨(dú)立工作、不受微處理器的制約，當(dāng)PWM信號(hào)恢復(fù)時(shí)保護(hù)電路能夠重新開啟充電過程。 圖4所示電路，利用MAX6321-HPUK30-CY帶有看門狗功能的上電復(fù)位電路(IC1)監(jiān)視PWM信號(hào)、控制MAX4514-CUK SPST模擬開關(guān)(IC2)的通斷，保證在PWM信號(hào)消失時(shí)(微處理器停止運(yùn)行)斷開充電電源與電池的連接。圖4中R4、D2和C1用于保護(hù)IC1和IC2，避免適配器電壓過高時(shí)造成芯片損壞。由于附加電路的靜態(tài)電流較低(30μA)，R4的選擇并不嚴(yán)格，只要保證齊納二極管的拐點(diǎn)電流(0.5mA)即可。當(dāng)充電器電源斷開時(shí)，保護(hù)電路沒有任何供電電壓，因而也不會(huì)消耗電池能量。 圖4用MAX6321芯片監(jiān)視PWM信號(hào)控制好電池的安全方案 圖4實(shí)際上在是在防電池與充電電源短路的基本電路中添加IC1、IC2，當(dāng)在處理器停止工作時(shí)提供電池保護(hù)。輸出用于提供充電就緒指示，當(dāng)輸出高電平時(shí)，允許基帶微處理器控制充電器工作，PWM信號(hào)通過Q1驅(qū)動(dòng)控制Q2 (p溝道MOSFET)的通斷。的漏極開路輸出結(jié)構(gòu)允許它連接到相同電源或不同電源供電的電路中。這樣，不需要充電時(shí)可以將看門狗電路、PWM電路置于關(guān)斷狀態(tài)。 選擇電池充電器以延長電池壽命 盡管電池充電器對電池的深度放電、放電電流和電池溫度不加以控制，但是所有這些因素對電池壽命都有影響，很多充電器具有能夠延長電池壽命的功能，而且有時(shí)可以極大地延長電池壽命。 電池充電器延長電池壽命的作用主要由充電器的浮動(dòng)電壓和充電終止方法決定。如凌力爾特公司的很多鋰離子電池充電器具有4.2V+1%(或更低)的固定浮動(dòng)電壓，但是有一些產(chǎn)品為4.1V和4.0V以及具有可調(diào)浮動(dòng)電壓。一些具有較低浮動(dòng)電壓的電池充電器，用來給12V鋰離子電池充電時(shí)可以延長電池壽命。 不提供較低浮動(dòng)電壓選項(xiàng)的電池充電器也能延長電池壽命。采用最小充電電流終止方法(C/10或C/x)的充電器通過選擇以恰當(dāng)?shù)某潆婋娏髦到K止充電周期，可以延長電池壽命。C/10終止大約僅將電池充電至其容量的92%，但是將提高周期 壽命。C/5終止可以將周期壽命延長一倍，但是電池充電量進(jìn)一步降低至約為容量的85%。圖5示出凌力爾特公司的幾款充電器，分別采用C/10(10%電流門限)或C/x(可調(diào)電流門限)充電終止模式。 采用MSP430F1 2X2單片機(jī)對電池充電進(jìn)行管理，見圖5。 圖5 用MSP430F1 2X2單片機(jī)對電池充電進(jìn)行管理方案 LTC4088是一款面向便攜式USB設(shè)備的自主型高效率電源管理器、理想二極管控制器和電池充電器。LTC4088的開關(guān)前端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有電源通路控制功能，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化了USB端口的可用功率，旨在以極低的功耗進(jìn)行電池的充電和應(yīng)用設(shè)備的供電，同時(shí)緩解了空間受限的媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、PDA、GPS裝置和智能手機(jī)中的熱管理問題。因此，該IC允許VOUT上的負(fù)載電流超過USB端口所吸收的電流，而不會(huì)超過USB負(fù)載規(guī)格限值。圖6為LTC4088高效率電池充電器電路。 圖6 為LTC4088高效率電池充電器電路示意圖. LTC4088的全功能單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池充電器采用一種恒定電壓、恒定電流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可提供1.2A的充電電流。Bat—Track操作可在電池充電器中保持低功耗，以實(shí)現(xiàn)最佳的充電時(shí)間和較少的發(fā)熱量。“即時(shí)接通”型操作使得便攜式產(chǎn)品能夠在加電之后立即運(yùn)行，而無需等待電池充電。此外，該充電器還具有熱限制、自動(dòng)再充電、采用自動(dòng)充電終止和固定持續(xù)時(shí)間安全定時(shí)器的獨(dú)立型操作、低電壓涓流充電、失效電池組檢測和一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)合格溫度充電的熱敏電阻輸入。該1C的額外功能包括一個(gè)用于系統(tǒng)微處理器電源軌的“始終接通”型3.3V，25mA LDO，以及一個(gè)用于防止當(dāng)有一部設(shè)備與暫停USB端口相連時(shí)發(fā)生電池漏電的暫停LDO。 結(jié)語 除了上述為鋰離子電池使用的配置好安全技術(shù)方案外，還有如采用部分放電的做法、避免充電至容量的100%、選擇合適的充電終止方法、避免大的充電和放電電流，因?yàn)檫@會(huì)縮短周期壽命和避免低于2V或2.5V的深度放電等多種方法可選配。 |
