鋰離子電池充放電安全及電池檢測(cè)設(shè)計(jì)

1、鋰離子電池充放電安全及電池檢測(cè)設(shè)計(jì)來源：21ic導(dǎo)讀 手機(jī)的鋰離子電池充電安全性日益受到消費(fèi)者重視，因此充電器制造商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，須掌握鋰離子電池的相關(guān)規(guī)格和特性，并使用具備完善電池檢測(cè)及保護(hù)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(xiǎn)。關(guān)鍵詞：電池檢測(cè)鋰離子電池手機(jī)的鋰離子電池充電安全性日益受到消費(fèi)者重視，因此充電器制造商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，須掌握鋰離子電池的相關(guān)規(guī)格和特性，并使用具備完善電池檢測(cè)及保護(hù)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(xiǎn)。隨著科技進(jìn)步、生活質(zhì)量提升，電子產(chǎn)品的蹤跡到處可見，其中又以手機(jī)為人類生活中不可或缺的必需品。不論是早期黑金剛手機(jī)或現(xiàn)今

2、功能強(qiáng)大的智能手機(jī)，皆需要電源才能運(yùn)作。早期手機(jī)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(xiàn)在使用鎳 氫、鎳鎘電池來做為電源的手機(jī)，已經(jīng)是非常的少見，絕大部分都是使用鋰離子電池，尤其消費(fèi)者希望手機(jī)待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)，且體積要更小，所以鎳氫、鎳鎘電池已經(jīng)慢慢不能符合消費(fèi)者的期望而被淘汰。雖然鎳氫、鎳鎘電池在價(jià)格以及替代電池取得的便利性優(yōu)于鋰離子電池，在其他電子產(chǎn)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(xiàn)今標(biāo)榜著輕薄短小的電子產(chǎn)品，幾乎都是 使用鋰離子電池。智能型手機(jī)因其功能強(qiáng)大、 屏幕耗電量大，更是需要電池容量大及電力更耐久

3、的鋰離子 電池。當(dāng)手機(jī)電池電量不足時(shí)， 使用者通常會(huì)以充電器或搭配一組移動(dòng)電源隨時(shí)對(duì)電池進(jìn)行 充電。體積/容量兼具 鋰離子電池為電子產(chǎn)品首選充電電池依其材質(zhì)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。.3由業(yè)輅出電弛匚兇刪:韭芒呂r比匕梅 rase片段主.霊氏三環(huán)的甩戟:KJ 輙WtSCJT序也屯，琲MLB於IM 當(dāng)垃住 t用三m ft三由才豆辻m池喪寫4鳥VEt池三電之呂 腰列債床佬屈，屯池 號(hào)存盤剛h燈國(guó)自旗卻石希 視詛fS而宅-Ift渝毒目廣白m費(fèi) 年電迴乜1加3礙壬翹9E屯乳朋鋰魯于電tNLJl i.A.T 丄卡電自啟電換癥耳商h內(nèi)諭fe隆衿尢電喬垠出不表 1 充電電池

4、比較表由表 1 優(yōu)缺點(diǎn)看來，鎳鎘、鎳氫及鋰離子電池較適合使用在電子產(chǎn)品上 ; 而鋰離子電池 無論是在體積、重量及容量（電子產(chǎn)品的使用時(shí)間）較優(yōu)于鎳鎘、鎳氫電池，也無記憶效應(yīng) 的問題，所以鋰離子電池在電子產(chǎn)品使用上似乎方便許多。延長(zhǎng)使用壽命 鋰離子電池充 / 放電壓成關(guān)鍵一般來說，鋰離子電池會(huì)有電性安全的范圍限制。由于鋰離子電池的特性，當(dāng)電池電 壓在充電時(shí)上升到最高設(shè)定電壓后，要立即停止充電，避免電池因過充電造成 電池?fù)p毀而 產(chǎn)生危險(xiǎn) ; 電池供電（放電）時(shí)，電池電壓如果降至最低設(shè)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(hù)

5、， 以避免發(fā)生危險(xiǎn) ; 即使大多數(shù)的鋰離子電池都有加裝保護(hù)電路， 然而在選擇優(yōu)質(zhì)的充電器或移動(dòng)電源時(shí)， 這仍 然是一項(xiàng)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(shè)備，而鋰離子電池充電器必須具備以下幾點(diǎn)特性：1）可提供固定電流給充電電池當(dāng)電池電壓到達(dá)最大值且不再上升時(shí)， 其充電電流便會(huì)開始下降， 如此可避免對(duì)電池過 度充電，造成電池?fù)p傷 ; 當(dāng)充電電流降至一定程度時(shí)，充電器將停止充電。2）確保電池具備可使用電壓電池在充電完成后， 若長(zhǎng)時(shí)間放置不使用會(huì)有自然放電的情形出現(xiàn)， 為避免電池過度自 放電導(dǎo)致電池電壓下降， 當(dāng)電池電壓低于所設(shè)定電壓時(shí)， 充電器會(huì)重新開始對(duì)電池充

6、電， 確 保電池在使用時(shí)還能維持一定電壓。四階段充電簡(jiǎn)述以下使用沛亨半導(dǎo)體的充電集成電路（ IC ）-AIC6511 做鋰離子電池充電簡(jiǎn)介，圖 1 為 鋰離子電池充電曲線圖：Sattery VoltageCUIT311j GV ChairPr鼻匚帕呼i 5時(shí)創(chuàng)_廠 嚴(yán)匕 ：1-fpre Charge ； C ChgeIThresholdPrfc Charge伽舊snoia ConstantC harieJI圖1鋰離子電池充電曲線圖1) Trickle Charge or Pre-Charge此時(shí)的鋰離子電池電壓小于3伏特(V),當(dāng)充電器開始對(duì)電池充電時(shí)，因鋰離子電池的特性，其內(nèi)部阻抗會(huì)很大，故

7、充電器會(huì)先以一微小電流對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)電池電壓持續(xù)上升。2) 定電流充電(Constant Current Charge， CC Charge)當(dāng)電池充電電壓上升至約3伏特時(shí)，充電器改以最大充電電流對(duì)電池進(jìn)行定電流充電，此時(shí)電池電壓持續(xù)上升。3) 定電壓充電(Constant Voltage Charge， CV Charge)當(dāng)電池充電電壓上升至接近鋰離子電池的飽和點(diǎn)電壓約4.2伏特時(shí)，充電器改以定電壓模式對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)充電電流開始下降。4) Charge Full當(dāng)充電電流降至微小電流時(shí)，充電器停止對(duì)電池充電。電池在充電完成后，若長(zhǎng)時(shí)間放置不使用會(huì)有自然放電的情形出現(xiàn)，為避免電池

8、過度放電導(dǎo)致電池電壓下降，電源IC在鋰離子電池電壓降至4伏特時(shí)，會(huì)重新開始對(duì)電池進(jìn)行CCCharge模式充電，確保電池在使用時(shí)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(shí)充電器會(huì)先以微弱電流對(duì)電池進(jìn)行Pre-Charge充電（各家廠商設(shè)定值不同，本文使用范例的充電IC設(shè)定值約為10%的最大充電電流），充電時(shí)電池電壓上升。當(dāng)電池電壓上升至約 3伏特，充電器改以最大充電電流對(duì)電池進(jìn)行CCCharge,電池電壓持續(xù)上升。當(dāng)電池充電電壓上升至接近鋰離子電池的飽和點(diǎn)電壓約4.2伏特時(shí)，充電器改以CVCharge對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)充電電流開始下降，當(dāng)充電

9、電流降至約等于Pre-Charge電流時(shí)，充電器停止對(duì)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(zhuǎn)換器（Adapter ）輸入電源對(duì)電池充電，當(dāng) 電池開始充電后，若充電時(shí)間超過其設(shè)定時(shí)間，充電器仍然操作 于Pre-Charge模式而未進(jìn)入CC Charge模式，或者仍然操作于 CC/CV Charge模式而未進(jìn)入充電完成狀態(tài)，則透過IC的充電計(jì)時(shí)保護(hù)功能使充電器停止對(duì)電池充電。充電計(jì)時(shí)保護(hù)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(jì)時(shí)保護(hù)時(shí)間由IC外部TMR卻位（Pin 15） 的電容CTMF設(shè)定，CTMR選擇方式如下：PACKING TYPETR TAPE & R

10、EEZLTB TUBEPACKAGING TYPEL - TSSQP-16 Exposed PadPIN CONFIGURATIONUM !lxLI USBiH 匡rjsleThe tnpCiud usd Ihoj4: be CHecLdJ am th 3NDtjcample: AC6511LFK口 ir TSSOP1R F fpossrlSink) GrpsriPackage nd Tape& Reel Packirg Type圖2 AIC6511腳位示意圖P re-Charge充電時(shí)間:U=30y SSLj J 0.1UF(Minutes)。完整充電時(shí)間:工佃S%OlpFMinutes )

11、若電池在充電狀態(tài)下，充電時(shí)間已超過使用者所設(shè)定的充電計(jì)時(shí)保護(hù)時(shí)間，但充電器卻仍尚未脫離當(dāng)前的充電狀態(tài)或結(jié)束充電，這時(shí)IC的充電計(jì)時(shí)保護(hù)功能就會(huì)立即啟動(dòng)，迫使充電器停止對(duì)電池充電（圖3），此時(shí)的STAT1（ Pin 12）位準(zhǔn)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(jì)時(shí)保 護(hù)功能。圖3充電器是否正確檢測(cè)電池充電情形，對(duì)于使用安全至關(guān)重要當(dāng)輸入電源重置、EN信號(hào)觸發(fā)時(shí)，皆能解除充電計(jì)時(shí)保護(hù)時(shí)間，使其重新計(jì)時(shí)。充電指示狀態(tài)圖4中，STAT1（ Pin 12 ）及STAT2 （ Pin 13 ）內(nèi)部為兩個(gè) Ope

12、n-Drain的N型金屬氧化 物半導(dǎo)體（NMO）開關(guān)，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(dòng)作情形如表 2所示。圖4 AIC6511典型應(yīng)用電路表2充電指示狀態(tài)表亢電購丈態(tài)STAIISTAT2LEDlLED2正?？穗奓OWLOW亮-N DisiMfid. 犒入電磁隱、0.2VHIGHHLGH7不亮貢生卞刃族眸情形 1XIC 計(jì)時(shí)叨喬啟STHIGHLOW輸入電源檢測(cè)防止電池漏電流倒灌AC Adapter或USB兩種不同輸入電源皆可對(duì)電池充電。若同時(shí)接上AC Adapter及USB電源，IC內(nèi)部開關(guān)會(huì)優(yōu)先選擇 AC Adapter端做為充電器的輸

13、入電源；然而，應(yīng)避免此情況 發(fā)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(dá)2安培（A）之充電電流對(duì)電池進(jìn)行充電，最大充電電流由RS1電阻設(shè)定。.USBINUSBIN腳位（Pin 5 ）供USB電源輸入。在選擇 USBIN充電模式時(shí)，其輸入限制電流由 RILIM電阻設(shè)定，設(shè)定 500毫安（mA適用于USB 2.0，900毫安適用于 USB 3.0.當(dāng)使用USBIN模式時(shí)，CC Charge電流會(huì)隨不同輸入電壓和電池電壓變動(dòng)，藉由檢測(cè) 在CC Charge時(shí)流經(jīng)RS1電阻的電流來調(diào)節(jié)其固定輸入限制電流IUSB_LIM.在充電過程

14、中，若將ACAdapter及USB電源移除，IC內(nèi)部開關(guān)皆會(huì)截止并啟動(dòng)防倒灌保護(hù)功能，防止電池 漏電流逆向倒灌回輸入電源端。充電電流設(shè)定本文范例芯片提供 設(shè)定如下：USB及 AC Adapter兩種輸入電源模式選擇對(duì)電池充電，其充電電流.ACIN充電電流:透過圖4中RS1電阻可設(shè)定高達(dá) 2安培的最大充電電流（Maximum Charge Current ）。WOmV(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。tt* dw = D-IQ.iww huh lOmV(A).US

15、BIN輸入限制電流：透過RILIM電阻可設(shè)定其輸入限制電流( USBIN In put Curre nt Limit )。3700C 憶（耐 0(mANTC熱敏電阻維持電池溫度安全負(fù)溫度系數(shù)(Negative Temperature Coefficient, NTC)熱敏電阻的阻值與溫度成反比，會(huì)因高溫遞減、低溫遞增，且溫度系數(shù)非常大，可用于檢測(cè)微小的溫度變化，因而被廣 泛的應(yīng)用在溫度的量測(cè)與補(bǔ)償控制。圖5為電池溫度檢測(cè)電路，透過圖4中NTC腳位(Pin 14 )檢測(cè)NTC熱敏電阻的電壓,充電IC能持續(xù)檢測(cè)電池的溫度，確保電池溫度的安全操作范圍。BATTRETTERY PACKXTCAl H5

16、tr& Ki圖5電池溫度檢測(cè)電路由NTC腳位（Pin 14）上的電壓與NTC高低溫位準(zhǔn)比較，可得知電池操作溫度是否正常 一旦檢測(cè)到電池溫度超過正常操作溫度范圍， 會(huì)立即關(guān)閉內(nèi)部的同步降壓器并停止充電動(dòng)作 當(dāng)電池溫度回復(fù)至正常溫度范圍時(shí)，充電器將重新恢復(fù)充電動(dòng)作。內(nèi)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(shè)選用103AT-2型號(hào)的熱敏電阻做為溫度傳感器（操作溫度為-10 ? 40C,阻值RTL與RTH為5.827千歐姆（kQ ）與42.470千歐姆），RTL為熱敏電阻在低溫時(shí)的電阻值，RTH為熱敏電阻在高溫時(shí)的 電阻值，根據(jù)所選用型號(hào)的熱敏電阻在高低溫時(shí)不同的電

17、阻值，再與RT1及RT2配合，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，可推算出RT1 RT2的電阻值，計(jì)算方式如下：I-10C.R =5.827kD=42.470kQ|（熱敏電阻 103AT-2）ftT2/Rlr,（NTC高溫磁滯位準(zhǔn)）（NTC低溫磁滯位準(zhǔn)）整理后可得:st jN陽用如296 Rm -RmRT2525 fRrhRTL625Rih-104R11.（k Q ）RT1及RT2選用12千歐姆和5千歐姆，即可完成 NTC保護(hù)功能。若在NTC腳位（Pin 14）輸入介于NTC高低限電壓位準(zhǔn)范圍內(nèi)的固定電壓時(shí)，可使電池 溫度檢測(cè)功能除能。過溫度保護(hù)防止充電過熱過溫度保護(hù)（Thermal Shutdown Protection ）可避免IC在充電時(shí)發(fā)生過熱情形。此功能透過監(jiān)測(cè)充電 IC的接面溫度（Junction Temperature , TJ ），一旦發(fā)現(xiàn)TJ 的溫度已達(dá)到過溫度點(diǎn)（ Thermal Shutdown Threshold , TSHTDWN約150 C左右時(shí)，IC 便