本文將介紹鋰離子電池安全性、充電器設(shè)計與安全監(jiān)控以及充電系統(tǒng)級安全性的主要系統(tǒng)設(shè)計注意事項。
電池充電系統(tǒng)
圖 1 是典型電池充電系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)輸入為 AC 墻式適配器提供的 DC 電源或 USB 接口等提供的 DC 電源。典型的電池充電系統(tǒng)包括充電前端 (CFE)、電池充電器以及電池組。CFE 保護集成電路 (IC) 集成輸入過壓、過流及電池過壓保護機制，可提高電池供電系統(tǒng)的安全性。電池充電器 IC 可調(diào)節(jié)電池充電電壓及電流，并監(jiān)控電池溫度，從而可延長電池使用壽命，提高安全性。了解鋰離子電池的特性對設(shè)計安全性更高的充電系統(tǒng)非常重要。
圖 1：典型的電池充電系統(tǒng)
鋰離子電池的安全性
工作溫度過高會加速電池老化，導(dǎo)致熱耗散，甚至?xí)逛囯x子電池爆炸。由于鋰離子電池采用了活性極高的材料，因此應(yīng)當(dāng)特別關(guān)注工作溫度過高這一問題。如果電池在高電流下充電過度或者發(fā)生短路，就會出現(xiàn)快速升溫的現(xiàn)象。鋰離子電池充電過度時，活性金屬鋰就會存儲在正極上。這種材料會急劇增加火災(zāi)幾率，因為其只要接觸電解質(zhì)和負(fù)極材料就會爆炸。例如，鋰／碳嵌入化合物遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而反應(yīng)產(chǎn)生的高溫則可點燃釋放出的氫氣。就 4.3V 電池電壓而言，LiCoO2 等負(fù)極材料在溫度超過熱耗散閾值 175ºC 時就會同電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)（見圖2）[1]。鋰離子電池采用聚烯烴等多微孔薄膜對正負(fù)電極進行電隔離。這些電極可提供優(yōu)異的機械屬性與化學(xué)穩(wěn)定性，而且價格合理。聚烯烴的熔點較低，為 135 ~ 165ºC，是溫度保險應(yīng)用的理想選擇。隨著溫度接近聚合物的熔點，其不再具有多孔性，這樣可在鋰離子不能再在電極之間流動時關(guān)閉電池。
此外，還可采用正向溫度系數(shù) (PTC) 器件和安全通氣口為鋰離子電池提供更多的保護。通常說來，負(fù)端外殼一般采用鍍鎳鋼。外殼封閉后，金屬粒子會污染電池內(nèi)部。隨著時間的推移，這些粒子會進入分離器，導(dǎo)致電池正負(fù)極兩側(cè)之間的絕緣層老化，這可造成正負(fù)極之間的微型短路，使電子能自由流動，最終導(dǎo)致電池故障。這種故障通常只是導(dǎo)致電池沒電，無法正常工作。不過在極少數(shù)情況下，電池也可會出現(xiàn)過熱、融化、著火甚至爆炸等現(xiàn)象。這是所報道的引起近期電池故障的主要原因，這使不同的制造商不得不大規(guī)模召回產(chǎn)品。
圖 2：電池?zé)岷纳?/p>
安全性更高的電池充電器設(shè)計
圖 3 是常用鋰離子電池的充電示意圖。鋰離子電池充電包括三個階段：預(yù)充階段、快充恒流 (CC) 階段以及恒壓 (CV) 終止階段。在預(yù)充階段，電池在低速率下充電。電池單元電壓低于 3.0 V 時，其充電速度通常是快速充電速率的十分之一。鈍化層在深度放電狀態(tài)下長期存儲后可能溶解，這樣可使其逐漸恢復(fù)。此外，部分銅分解出現(xiàn)在過放電的陽極短路電池單元上時，預(yù)充電還可防止在 1ºC 充電速率（一個小時內(nèi)就可使電池完全放電的電流）下出現(xiàn)過熱情況。
預(yù)充電安全定時器可避免長時間給電量耗盡的電池充電。一般說來，電池單元電壓達(dá)到 3.0 V，充電器就會進入 CC 階段?？焖俪潆婋娏魍ǔＯ薅ㄔ?0.5 至 1C 之間，以避免過熱導(dǎo)致電池加速退化。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)乃俣?，確保電池溫度不超過 45ºC，然后在快充速率下進行電池充電，直至電壓達(dá)到調(diào)節(jié)限度（對基于 LiCoO2 的陰極而言通常是每單元 4.2 V）。充電器開始調(diào)節(jié)電池電壓并進入 CV 階段，這時充電電流會呈指數(shù)地下降至預(yù)定終止水平，結(jié)束電池充電。
電池充電電壓的準(zhǔn)確性對電池使用壽命及安全性都非常重要。更高的電池充電電壓可提高充電容量，但是會縮短電池使用壽命 [2]，如圖 4 所示。對于容差為 ±2.5% 的電池充電電壓而言，充電電壓可能會達(dá)到 4.3 V，這會導(dǎo)致熱耗散及安全性問題。為了避免電池高溫充電，提高安全性，充電器 IC 必須監(jiān)控電池組的溫度。只有當(dāng)電池溫度在安全范圍內(nèi)（通常是 0 到 45ºC）時，電池才能充電。電池組中的熱敏電阻通常用于這一用途。此外，通常需要快充安全定時器來避免電量耗盡電池過長時間的充電。一旦安全時間一過，即便電池還沒有達(dá)到充電終止電流狀態(tài)，電池充電器也必須關(guān)閉。
高度集成的線性電池充電器廣泛用于單體鋰離子電池充電，因為其設(shè)計簡單、低成本以及小型化優(yōu)勢可充分滿足便攜式設(shè)備的需求。其設(shè)計挑戰(zhàn)是在保持電池充電器處于安全溫度工作范圍內(nèi)的同時，還要消除和最大限度地減少所產(chǎn)生的熱量。最新開發(fā)的、具有熱調(diào)節(jié)功能的電池充電器可在最大限度提高充電速率并盡可能縮短充電時間的同時，解決上述散熱問題。
圖 3：鋰離子電池充電示意圖
圖 4：LiCoO2 陰極鋰離子電池的充電電壓和使用壽命之間的關(guān)系
線性充電器只可將適配器的 DC 電壓降至 電池電壓水平。線性充電器的功耗計算如下：
?。ǖ仁?1）
當(dāng)充電器從預(yù)充向快充模式轉(zhuǎn)變而功耗又達(dá)到最高時，輸入電壓與電池電壓之差就會很大。例如，如果用 5V 適配器為 1200mAh 鋰離子電池充電，當(dāng)充電電流為 1A、電池電壓為 3.2V 時，最大功耗就等于 1.8 W。采用 3´3 毫米 QFN 封裝，熱阻抗為 47ºC/W 時，這種功耗會使溫度升高 85ºC。接點溫度會超過所允許的最大工作溫度值（45ºC 環(huán)境溫度下為 125ºC）。要確保良好的散熱設(shè)計，在充電啟動時使接點溫度保持在安全范圍內(nèi)，這是一項難度很大的工作。充電過程中隨著電池電壓的升高，功耗會逐漸下降。
我們?nèi)绾尾拍艽_保充電器運行在安全溫度工作范圍內(nèi)，同時改進散熱設(shè)計呢？bq2408x 與 bq2403x 等更多高級電池充電器引入了熱調(diào)節(jié)環(huán)路來避免充電器過熱。內(nèi)部芯片溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度閾值時，比方說 110ºC，任何進一步的 IC 溫度提升都會降低充電電流。這樣即可限制功耗，也可提升充電器的熱保護。導(dǎo)致 IC 接點溫度達(dá)到熱調(diào)節(jié)水平的最大功耗取決于 PCB 布局、散熱通路的數(shù)量以及環(huán)境溫度（見圖 5）。
熱環(huán)路工作時，充電電流會達(dá)到充電終止閾值，這樣會導(dǎo)致充電的錯誤終止，因為熱調(diào)節(jié)功能通常是在快充的早期階段啟動。為了避免錯誤的充電終止，只要熱調(diào)節(jié)環(huán)路處于工作狀態(tài)，就要禁用電池充電終止。此外，有效充電電流也會降低。這會延長電池充電時間。這樣，充電安全定時器可能會因為固定安全定時器而錯誤終止。bq24085 采用可自動放慢安全定時器時鐘頻率的動態(tài)安全定時器。動態(tài)定時器控制電路可有效延長安全定時器的持續(xù)時間，從而最大限度地減少安全定時器由于熱調(diào)節(jié)所引起的故障幾率。
圖 5：bq24085 的典型應(yīng)用電路
系統(tǒng)級充電前端 (CFE) 的安全設(shè)計
我們?nèi)绾翁岣呦到y(tǒng)級充電的安全性和可靠性？我們可采用許多不同的適配器為便攜式設(shè)備供電，但不同的制造商往往采用不同的電氣規(guī)范，這就為構(gòu)建便攜式設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)，他們在使用不同適配器時必須滿足各種安全要求。具體技術(shù)挑戰(zhàn)包括輸入過壓、輸入過流、電池過壓以及反向輸入電壓等，這些問題都會造成系統(tǒng)損壞。
適配器熱插入、適配器錯誤、瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)過壓等問題都可能導(dǎo)致輸入過壓。適配器熱插入時，線纜電感與系統(tǒng)輸入去耦電容器之間的共振會導(dǎo)致過壓。對于獨立充電器而言，輸入過流可能不是什么問題，因為恒定電流模式會限制提供給輸出或電池的電流量。不過，就輸入到系統(tǒng)有直接電源路徑的 bq24070 等電源路徑管理電池充電器而言，在上拉電流過大時很難得到保護。最近，人們擔(dān)心工作適配器在電流限制模式下可能出問題，希望可編程輸入電流限制電路能夠阻止適配器進入該模式。鋰離子／鋰聚合物電池組如果在高溫下充電過度，可能會出現(xiàn)危險的燃燒現(xiàn)象。充電過度的一個重要標(biāo)志就是電池單元電壓升高。越來越多的制造商都在尋找可確保電池組安全性與合規(guī)性的安全措施。要提高電池安全性，可添加二級過壓保護來移除輸入電源。在檢測電池過壓時關(guān)閉 CFE 功率 MOSFET 就可完成這一操作。
圖 6 是典型系統(tǒng)級 CFE 電路的示意圖。高電壓保護 CFE 可將高輸入電壓與低壓充電器及系統(tǒng)相隔離，以便系統(tǒng)免受高壓侵害。這種 IC 集成所有安全特性，包括輸入電流限制與保護、輸入電壓保護以及電池過壓保護等。無論出現(xiàn)何種故障情況，CFE 都會關(guān)閉 MOSFET 實現(xiàn)適當(dāng)保護，進而提高整體系統(tǒng)安全性。
圖 6：典型的系統(tǒng)級 CFE 電路
總結(jié)
通過充分考慮電池特性、充電器 IC 設(shè)計以及系統(tǒng)級安全注意事項設(shè)計安全性更高的電池充電系統(tǒng)非常重要。配合 CFE、電池充電器 IC 以及電池組的安全保護機制，充電系統(tǒng)可進一步提升穩(wěn)健的安全性能。全面集成的 CFE 可提高充電系統(tǒng)級安全性，而安全性更高的電池充電器設(shè)計則可延長電池使用壽命，并避免過度充電的危險。