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手機的鋰離子電池充電安全性日益受到消費者重視，因此充電器制造商在設計產品時，須掌握鋰離子電池的相關規格和特性，并使用具備完善電池檢測及保護功能的充電芯片，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能手機，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于鋰離子電池，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)較優于鎳鎘、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范圍限制。由于鋰離子電池的特性，當電池電壓在充電時上升到最高設定電壓后，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： ．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。 ．確保電池具備可使用電壓 電池在充電完成后，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，當電池電壓低于所設定電壓時，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 ．Trickle Charge or Pre-Charge 此時的鋰離子電池電壓小于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。 ．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。 ．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。 ．Charge Full 當充電電流降至微小電流時，充電器停止對電池充電。 電池在充電完成后，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，本文使用范例的充電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于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，當電池開始充電后，若充電時間超過其設定時間，充電器仍然操作于Pre-Charge模式而未進入CC Charge模式，或者仍然操作于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為本文范例充電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，對于使用安全至關重要。 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電源于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)適用于USB 2.0，900毫安適用于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內部開關皆會截止并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 本文范例芯片提供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 負溫度系數(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，且溫度系數非常大，可用于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范圍。 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范圍，會立即關閉內部的同步降壓器并停止充電動作；當電池溫度回復至正常溫度范圍時，充電器將重新恢復充電動作。 內建的NTC磁滯溫度比較器，可接受的電壓范圍為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) 整理后可得： ......(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)輸入介于NTC高低限電壓位準范圍內的固定電壓時，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 本文范例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管，能提供USB及AC Adapter兩種輸入電源模式選擇對電池充電，并具備充電保護功能。 由于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)，就能輕松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。圖片來源：沛亨半導體 |
