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鋰離子電池是一種應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、循環使用壽命長，可在較短時間內快速充足電以及允許放電溫度范圍寬等優點。此外，鋰離子電池還有自放電電流小，無記憶效 應和無環境污染等優點。而隨著鋰離子電池的使用面的擴大，對鋰離子電池的充放電保護就顯得愈發重要。尤其是在有些應用中，較長的電池壽命、較多的充電次數或較安全的電池比電池容量更重要。這就是人們最關心的為鋰離子電池使用配置好安全技術的關鍵。 本文就充放電過程的溫度控制技術、電池充電電源短路保護與選擇電池充電器以延長電池壽命等芯片應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計者需要考慮的一個方面,即限制電池溫度技術是延長電池壽命的重要因素?這是因為在高溫的時候對鋰離子電池充放電，會有爆炸的危險;在低溫的時候充放電，會對電芯造成損害。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℃以下充電促進金屬在電池陽極上的鍍數，這可能造成內部短路，產生熱量并使電池不穩定和不安全。很多電池充電器都有測量電池溫度的裝置，以確保不會在極限溫度時充電。 限制或控制電池溫度技術應用舉例 USB/交流適配器Li+電池充電器，帶有0.05Ω斷開開關。圖1為用MAX8606實現保持安全的工作溫度和持續不間斷充電，溫度調節功能可自動降低充電電流應用方案。 圖1 用MAX8606實現保持安全的工作溫度和持續不間斷充電，溫度調節功能可自動降低充電電流 MAX8606是帶溫度調節功能的線性Li+電池充電器，內部集成低RDS(oN)電池斷開開關，可工作于USB端口或交流適配器。它滿足USB的過流規范要求，掛起模式下僅吸取不到30μA的USB電流。與交流適配器連接時，內部功率FET支持高達1A的充電電流，可保證耐受高達14V的輸入瞬態電壓。即使在沒有安裝電池或者電池已深度放電的情況下，SYS輸出配合電池斷開開關，仍可通過USB或交流適配器輸入給系統供電。為保持安全的工作溫度和持續不間斷充電，溫度調節功能可自動降低充電電流。 其限制或控制電池溫度技術是通過EN1與EN2引腳實現用戶設置的掛起模式，l00mA，500mA和高達1A輸入的限制。SET是充電電流監視器功能。 充電前也可給系統靈活供電,同時給電池充電和系統供電,無需外部阻斷肖特基二極管、檢流電阻或FET;低壓差內部充電FET，0.5A時0.25V;高達1A的可編程快充電流;輸入電流限制滿足USB規范;電池充電和系統供電之間實現自動均流調節;先進的恒流、恒壓和管芯恒溫(CCCVCTJ)技術;超過6VIN的過壓保護(最大14VIN)。 用MAX8808實現1A Li+恒壓，恒流，溫度調控的充電器方案。它具有高達15V的適配器輸入，而MAX8808在微小的4mm2封裝面積內集成了功率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進行快速、安全的充電。MAX8808可調節器件的溫度、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備，例如蜂窩電話、PDA以及數碼相機等在散熱管理方面的顧慮。它的熱調節技術降低了環境溫升，提高了可靠性，并降低了因安全余量要求所造成的成本。為避免只經過粗略調整的廉價交流適配器對其造成損害。 MAX8808能夠保證承受高達15V的瞬態輸入，并具有內置的過壓保護(OVP)電路，防止在故障情況下進行充電。 微型、熱增強型TDFN封裝(0.8mm高);專有的溫度和CC-CV調節實現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);省去預調理狀態(MAX808Z)與軟啟動。 電池組保護電路 很多電池含有電池組保護電路，如果超過最高電池電壓，該電路暫時斷開電池連接。 用bq24314芯片實現安全保護-完整的鋰離子充電器前端保護。 芯片bq24314具有集成功率FET;Vin極大值為30V;OCP可編程電流高達15A;電池OVP為4.35V;有故障指示特性。 該芯片提供針對三個變量的保護功能(圖2)，即輸入過壓與輸入過流及電池過壓;30V極大輸入電壓;對于電流瞬態引起的錯誤觸發有較高的抗擾度;熱關斷，即故障狀態顯示與目前上市的極小解決方案。bq24300與bq24314充電器前端電路產品系列，可為充電中的手持式設備提供系統保護。這款體積小巧的安全電路可提供三層保護功能，即輔人過壓、輔人過流與電池過壓保護狀態。 圖2 bq24314芯片應用示意圖 帶有輸入電流限制和安全定時器的低成本SMBus充電器 圖3是用MAX8731A實現帶有輸入電流限制和安全定時器的充電器方案圖。高效率的MAX8731MdAⅪ535C能夠為任何化學類型的電池充電。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接口設定。它采用先進的同步buck調節器控制電路，最大占空比可超過99%，降低了最小輸人到輸出電壓差。MAX8731A/MAⅪ535C能夠為一、二、三或四節串聯的Li/電池組充電，提供高達8A的充電電流。MAX8731A采用高邊n溝道MOSFET，成本更低，效率更高。該器件同時提供監視交流適配器電流的輸出信號。 圖3 用MAX8731A實現帶有輸入電流限制和安全定時器的充電器方案圖 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監視器，對PWM輸入信號進行監視。如果在規定的時間內檢測不到PWM輸入端信號，則切斷電源與電池的連接。為保證電路的可靠性，保護電路應該獨立工作、不受微處理器的制約，當PWM信號恢復時保護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位電路(IC1)監視PWM信號、控制MAX4514-CUK SPST模擬開關(IC2)的通斷，保證在PWM信號消失時(微處理器停止運行)斷開充電電源與電池的連接。圖4中R4、D2和C1用于保護IC1和IC2，避免適配器電壓過高時造成芯片損壞。由于附加電路的靜態電流較低(30μA)，R4的選擇并不嚴格，只要保證齊納二極管的拐點電流(0.5mA)即可。當充電器電源斷開時，保護電路沒有任何供電電壓，因而也不會消耗電池能量。 圖4用MAX6321芯片監視PWM信號控制好電池的安全方案 圖4實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，當在處理器停止工作時提供電池保護。輸出用于提供充電就緒指示，當輸出高電平時，允許基帶微處理器控制充電器工作，PWM信號通過Q1驅動控制Q2 (p溝道MOSFET)的通斷。的漏極開路輸出結構允許它連接到相同電源或不同電源供電的電路中。這樣，不需要充電時可以將看門狗電路、PWM電路置于關斷狀態。 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)的固定浮動電壓，但是有一些產品為4.1V和4.0V以及具有可調浮動電壓。一些具有較低浮動電壓的電池充電器，用來給12V鋰離子電池充電時可以延長電池壽命。 不提供較低浮動電壓選項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的充電電流值終止充電周期，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(可調電流門限)充電終止模式。 采用MSP430F1 2X2單片機對電池充電進行管理，見圖5。 圖5 用MSP430F1 2X2單片機對電池充電進行管理方案 LTC4088是一款面向便攜式USB設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的開關前端拓撲結構具有電源通路控制功能，該拓撲結構優化了USB端口的可用功率，旨在以極低的功耗進行電池的充電和應用設備的供電，同時緩解了空間受限的媒體播放器、數碼相機、PDA、GPS裝置和智能手機中的熱管理問題。因此，該IC允許VOUT上的負載電流超過USB端口所吸收的電流，而不會超過USB負載規格限值。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、恒定電流拓撲結構，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，以實現最佳的充電時間和較少的發熱量�！凹磿r接通”型操作使得便攜式產品能夠在加電之后立即運行，而無需等待電池充電。此外，該充電器還具有熱限制、自動再充電、采用自動充電終止和固定持續時間安全定時器的獨立型操作、低電壓涓流充電、失效電池組檢測和一個用于實現合格溫度充電的熱敏電阻輸入。該1C的額外功能包括一個用于系統微處理器電源軌的“始終接通”型3.3V，25mA LDO，以及一個用于防止當有一部設備與暫停USB端口相連時發生電池漏電的暫停LDO。 結語 除了上述為鋰離子電池使用的配置好安全技術方案外，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，因為這會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。 |
