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(多图) 锂离子电池充放电安全及电池检测设计

新电子 钟建尧?? 2014年08月06日 ?? 收藏2

输入电源检测防止电池漏电流倒灌

AC Adapter或USB两种不同输入电源皆可对电池充电。若同时接上AC Adapter及USB电源,IC内部开关会优先选择AC Adapter端做为充电器的输入电源;然而,应避免此情况发生。

.ACIN

图4中供一般插座之Adapter电源于VIN脚位(Pin 2)输入,在ACIN充电模式下,能以高达2安培(A)之充电电流对电池进行充电,最大充电电流由RS1电阻设定。

.USBIN

USBIN脚位(Pin 5)供USB电源输入。在选择USBIN充电模式时,其输入限制电流由RILIM电阻设定,设定500毫安(mA)适用于USB 2.0,900毫安适用于USB 3.0。

当使用USBIN模式时,CC Charge电流会随不同输入电压和电池电压变动,藉由检测在CC Charge时流经RS1电阻的电流来调节其固定输入限制电流IUSB_LIM。在充电过程中,若将AC Adapter及USB电源移除,IC内部开关皆会截止并启动防倒灌保护功能,防止电池漏电流逆向倒灌回输入电源端。

充电电流设定

本文范例芯片提供USB及AC Adapter两种输入电源模式选择对电池充电,其充电电流设定如下:

.ACIN充电电流:

透过图4中RS1电阻可设定高达2安培的最大充电电流(Maximum Charge Current)。

......(A)

.Trickle or Pre-Charge充电电流:

不论是ACIN或USBIN,其充电电流(Pre-Charge Current)约为10%的最大充电电流。

......(A)

.USBIN输入限制电流:

透过RILIM电阻可设定其输入限制电流(USBIN Input Current Limit)。

......(mA)

NTC热敏电阻维持电池温度安全

负温度系数(Negative Temperature Coefficient, NTC)热敏电阻的阻值与温度成反比,会因高温递减、低温递增,且温度系数非常大,可用于检测微小的温度变化,因而被广泛的应用在温度的量测与补偿控制。

图5为电池温度检测电路,透过图4中NTC脚位(Pin 14)检测NTC热敏电阻的电压,充电IC能持续检测电池的温度,确保电池温度的安全操作范围。

图5 电池温度检测电路
图5 电池温度检测电路

由NTC脚位(Pin 14)上的电压与NTC高低温位准比较,可得知电池操作温度是否正常;一旦检测到电池温度超过正常操作温度范围,会立即关闭内部的同步降压器并停止充电动作;当电池温度回复至正常温度范围时,充电器将重新恢复充电动作。

内建的NTC磁滞温度比较器,可接受的电压范围为32?74%的VREF33。假设选用103AT-2型号的热敏电阻做为温度传感器(操作温度为-10?40℃,阻值RTL与RTH为5.827千欧姆(kΩ)与42.470千欧姆),RTL为热敏电阻在低温时的电阻值,RTH为热敏电阻在高温时的电阻值,根据所选用型号的热敏电阻在高低温时不同的电阻值,再与RT1及RT2配合,将温度信号转变成电压信号,可推算出RT1、RT2的电阻值,计算方式如下:

......(热敏电阻103AT-2)

......(NTC高温磁滞位准)

......(NTC低温磁滞位准) 整理后可得:

......(kΩ)

......(kΩ)

RT1及RT2选用12千欧姆和5千欧姆,即可完成NTC保护功能。

若在NTC脚位(Pin 14)输入介于NTC高低限电压位准范围内的固定电压时,可使电池温度检测功能除能。

过温度保护防止充电过热

过温度保护(Thermal Shutdown Protection)可避免IC在充电时发生过热情形。

此功能透过监测充电IC的接面温度(Junction Temperature, TJ),一旦发现TJ的温度已达到过温度点(Thermal Shutdown Threshold, TSHTDWN)约150℃左右时,IC便会立即关闭充电器,使其停止充电;待TJ温度降至约130℃时,IC才会重新启动。

选用合适充电IC 锂离子电池充电器更稳定

本文范例IC为开关切换式锂离子电池充电器,内部为同步降压型转换器架构,不须加装额外的开关及二极管,能提供USB及AC Adapter两种输入电源模式选择对电池充电,并具备充电保护功能。

由于锂离子电池的电气特性较镍氢、镍镉电池稳定,在设计充电器方面也相对容易,只要先了解锂离子电池的相关规格、再依需求选择合适的充电IC(图6),就能轻松地设计一个锂离子电池充电器。

图6 充电IC可检测电池充电情形,使充电器兼顾效能与安全性。图片来源:沛亨半导体
图6 充电IC可检测电池充电情形,使充电器兼顾效能与安全性。图片来源:沛亨半导体

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