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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(huán)使用壽命長(cháng)，可在較短時(shí)間內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(wú)記憶效 應和無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。而隨著(zhù)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(fā)重要。尤其是在有些應用中，較長(cháng)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(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(guò)程的溫度控制技術(shù)、電池充電電源短路保護與選擇電池充電器以延長(cháng)電池壽命等芯片應用的方案配置作介紹。 充放電過(guò)程的溫度控制 為什么對充放電過(guò)程的溫度控制也是許多設計者需要考慮的一個(gè)方面,即限制電池溫度技術(shù)是延長(cháng)電池壽命的重要因素?這是因為在高溫的時(shí)候對鋰離子電池充放電，會(huì )有爆炸的危險;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(cháng)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(yáng)極上的鍍數，這可能造成內部短路，產(chǎn)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(huì )在極限溫度時(shí)充電。 限制或控制電池溫度技術(shù)應用舉例 USB/交流適配器Li+電池充電器，帶有0.05Ω斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。圖1為用MAX8606實(shí)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(dòng)降低充電電流應用方案。 圖1 用MAX8606實(shí)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(dòng)降低充電電流 MAX8606是帶溫度調節功能的線(xiàn)性L(fǎng)i+電池充電器，內部集成低RDS(oN)電池斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，可工作于USB端口或交流適配器。它滿(mǎn)足USB的過(guò)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(shí)，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(tài)電壓。即使在沒(méi)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(kāi)開(kāi)關(guān)，仍可通過(guò)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(dòng)降低充電電流。 其限制或控制電池溫度技術(shù)是通過(guò)EN1與EN2引腳實(shí)現用戶(hù)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(shí)給電池充電和系統供電,無(wú)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(shí)0.25V;高達1A的可編程快充電流;輸入電流限制滿(mǎn)足USB規范;電池充電和系統供電之間實(shí)現自動(dòng)均流調節;先進(jìn)的恒流、恒壓和管芯恒溫(CCCVCTJ)技術(shù);超過(guò)6VIN的過(guò)壓保護(最大14VIN)。 用MAX8808實(shí)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(jìn)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(huà)、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(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(guò)粗略調整的廉價(jià)交流適配器對其造成損害。 MAX8808能夠保證承受高達15V的瞬態(tài)輸入，并具有內置的過(guò)壓保護(OVP)電路，防止在故障情況下進(jìn)行充電。 微型、熱增強型TDFN封裝(0.8mm高);專(zhuān)有的溫度和CC-CV調節實(shí)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(tài)(MAX808Z)與軟啟動(dòng)。 電池組保護電路 很多電池含有電池組保護電路，如果超過(guò)最高電池電壓，該電路暫時(shí)斷開(kāi)電池連接。 用bq24314芯片實(shí)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(gè)變量的保護功能(圖2)，即輸入過(guò)壓與輸入過(guò)流及電池過(guò)壓;30V極大輸入電壓;對于電流瞬態(tài)引起的錯誤觸發(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(guò)壓、輔人過(guò)流與電池過(guò)壓保護狀態(tài)。 圖2 bq24314芯片應用示意圖 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能夠為任何化學(xué)類(lèi)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(guò)SMBus接口設定。它采用先進(jìn)的同步buck調節器控制電路，最大占空比可超過(guò)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(lián)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(shí)提供監視交流適配器電流的輸出信號。 圖3 用MAX8731A實(shí)現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行可能造成電池過(guò)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(guò)充、損壞電池。為解決這一問(wèn)題需在電路中添加一個(gè)監視器，對PWM輸入信號進(jìn)行監視。如果在規定的時(shí)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(shí)保護電路能夠重新開(kāi)啟充電過(guò)程。 圖4所示電路，利用MAX6321-HPUK30-CY帶有看門(mén)狗功能的上電復位電路(IC1)監視PWM信號、控制MAX4514-CUK SPST模擬開(kāi)關(guān)(IC2)的通斷，保證在PWM信號消失時(shí)(微處理器停止運行)斷開(kāi)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(guò)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的選擇并不嚴格，只要保證齊納二極管的拐點(diǎn)電流(0.5mA)即可。當充電器電源斷開(kāi)時(shí)，保護電路沒(méi)有任何供電電壓，因而也不會(huì )消耗電池能量。 圖4用MAX6321芯片監視PWM信號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，當在處理器停止工作時(shí)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(shí)，允許基帶微處理器控制充電器工作，PWM信號通過(guò)Q1驅動(dòng)控制Q2 (p溝道MOSFET)的通斷。的漏極開(kāi)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(shí)可以將看門(mén)狗電路、PWM電路置于關(guān)斷狀態(tài)。 選擇電池充電器以延長(cháng)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(cháng)電池壽命的功能，而且有時(shí)可以極大地延長(cháng)電池壽命。 電池充電器延長(cháng)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以及具有可調浮動(dòng)電壓。一些具有較低浮動(dòng)電壓的電池充電器，用來(lái)給12V鋰離子電池充電時(shí)可以延長(cháng)電池壽命。 不提供較低浮動(dòng)電壓選項的電池充電器也能延長(cháng)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(guò)選擇以恰當的充電電流值終止充電周期，可以延長(cháng)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(cháng)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(mén)限)或C/x(可調電流門(mén)限)充電終止模式。 采用MSP430F1 2X2單片機對電池充電進(jìn)行管理，見(jiàn)圖5。 圖5 用MSP430F1 2X2單片機對電池充電進(jìn)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(kāi)關(guān)前端拓撲結構具有電源通路控制功能，該拓撲結構優(yōu)化了USB端口的可用功率，旨在以極低的功耗進(jìn)行電池的充電和應用設備的供電，同時(shí)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(wèn)題。因此，該IC允許VOUT上的負載電流超過(guò)USB端口所吸收的電流，而不會(huì )超過(guò)USB負載規格限值。圖6為L(cháng)TC4088高效率電池充電器電路。 圖6 為L(cháng)TC4088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(shí)現最佳的充電時(shí)間和較少的發(fā)熱量�！凹磿r(shí)接通”型操作使得便攜式產(chǎn)品能夠在加電之后立即運行，而無(wú)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時(shí)間安全定時(shí)器的獨立型操作、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)用于防止當有一部設備與暫停USB端口相連時(shí)發(fā)生電池漏電的暫停LDO。 結語(yǔ) 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，因為這會(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。 |
