整合式CFE防護(hù)提高充電系統(tǒng)層級安全性

　　使用高度整合式線性電池充電器為單顆鋰電池充電相當(dāng)普遍，因?yàn)檫@類充電器符合可攜式裝置的設(shè)計簡化、低成本及小體積尺寸等需求。其中的設(shè)計難題，在于使電池充電器維持在安全溫度運(yùn)作范圍內(nèi)，同時盡可能降低產(chǎn)生的熱量。最新開發(fā)的電池充電器具備散熱調(diào)節(jié)功能，能夠達(dá)到最高的充電速率，并且盡可能縮短充電時間，同時解決散熱問題。

　　線性充電器只是將轉(zhuǎn)接器的DC電壓調(diào)降至電池電壓的程度。線性充電器的功耗計算如下：

　　充電器從預(yù)先充電轉(zhuǎn)換為快速充電模式，且達(dá)最高功耗時，輸入電壓與電池電壓間的差異便相當(dāng)大。例如，若使用5伏特轉(zhuǎn)接器為1,200毫安培小時(mAh)鋰電池充電，當(dāng)充電電流為1安培(A)且電池電壓為3.2伏特時，最大功耗即為1.8瓦(W)。對于熱阻抗為47℃/瓦的3毫米×3毫米四方形平面無接腳封裝(QFN)，功耗會造成溫度升高85℃。接點(diǎn)溫度會超過允許的操作溫度上限(45℃環(huán)境溫度下為125℃)。確保良好的散熱設(shè)計在開始充電時，將接點(diǎn)溫度維持在安全范圍內(nèi)，是一項相當(dāng)困難的工作。在充電過程中，隨著電池電壓升高，功耗也會逐漸下降。

　　散熱調(diào)節(jié)回路可避免充電器過熱

　　如何確保充電器維持在安全溫度運(yùn)作范圍內(nèi)，并提升散熱設(shè)計是一大挑戰(zhàn)，較進(jìn)階的電池充電器采用散熱調(diào)節(jié)回路避免充電器過熱。內(nèi)部晶片溫度達(dá)到預(yù)先定義的溫度臨界值時，如110℃，后續(xù)的IC溫度提高，都會減少充電電流，如此即可限制功耗，提升充電器的過熱防護(hù)。導(dǎo)致IC接點(diǎn)溫度達(dá)散熱調(diào)節(jié)程度的最大功耗，取決于印刷電路板(PCB)配置、散熱通孔數(shù)及環(huán)境溫度(圖5)。

　　圖5 電池充電器的一般應(yīng)用電路

　　散熱回路運(yùn)作時，充電電流會達(dá)到充電終止臨界值，這會導(dǎo)致錯誤終止充電，因?yàn)樯嵴{(diào)節(jié)功能通常是在快速充電的早期階段啟動。為避免錯誤終止充電，只要散熱調(diào)節(jié)回路處于運(yùn)作狀態(tài)，就不會使電池充電終止。此外，有效充電電流也會減少，使電池充電時間增加，因此，固定式安全計時器可能導(dǎo)致充電安全計時器錯誤終止。先進(jìn)的電池充電器采用可自動減速時脈頻率的動態(tài)安全計時器，動態(tài)計時器控制電路可有效延長安全計時器持續(xù)時間，大幅降低安全計時器因散熱調(diào)節(jié)引起的故障機(jī)率。

　　加入第二層過壓防護(hù)提高電池安全性

　　如何才能提高系統(tǒng)層級充電的安全性和可靠性呢?一般可采用許多不同的轉(zhuǎn)接器為可攜式裝置供電，但不同的制造商往往采用不同的電流規(guī)格，使得可攜式裝置的系統(tǒng)設(shè)計人員必須克服技術(shù)難題，在使用不同轉(zhuǎn)接器時滿足各種安全要求，其中的困難包括輸入過壓、輸入過流、電池過壓及反向輸入電壓，這些都會造成系統(tǒng)損壞。

　　轉(zhuǎn)接器熱插拔、轉(zhuǎn)接器錯誤、暫態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)過壓等問題，都可能導(dǎo)致輸入過壓。當(dāng)轉(zhuǎn)接器熱插入時，纜線電感與系統(tǒng)輸入解耦合電容之間的諧振會導(dǎo)致過壓。對于獨(dú)立式充電器而言，輸入過流可能不會造成問題，因?yàn)榉€(wěn)定電流模式會限制供應(yīng)給輸出或電池的電流量。不過，對于系統(tǒng)輸入有直接電源路徑的先進(jìn)電池充電器而言，在輸入過多電流時通常沒有任何防護(hù)。

　　長期以來，設(shè)計人員對于轉(zhuǎn)接器在電流限制模式下運(yùn)作有些顧慮，希望可程式輸入電流限制電路能確保轉(zhuǎn)接器不進(jìn)入此模式。鋰離子/鋰聚合物電池組在高溫下過度充電，可能會發(fā)生危險的燃燒狀況。過度充電的跡象就是電池電壓升高。愈來愈多制造商都在尋找可確保電池組安全性與規(guī)范的安全措施，若要提高電池安全性，可加入第二層過壓防護(hù)移除輸入電源，在偵測電池過壓時關(guān)閉CFE功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(MOSFET)即可。

　　圖6顯示一般系統(tǒng)層級CFE電路。高電壓防護(hù)CFE可將高輸入電壓與低壓充電器及系統(tǒng)相隔離，以免系統(tǒng)出現(xiàn)高電壓。整合所有安全功能，包括輸入電流限制與防護(hù)、輸入電壓防護(hù)及電池過壓防護(hù)。無論出現(xiàn)何種故障狀況，CFE都會關(guān)閉MOSFET進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)，以提升整體系統(tǒng)安全性。

　　圖6 一般的系統(tǒng)層級CFE電路

　　依據(jù)電池特性、充電器IC設(shè)計，以及系統(tǒng)層級安全考量，對設(shè)計更安全的電池充電系統(tǒng)相當(dāng)重要，運(yùn)用CFE、電池充電器IC及電池組的安全防護(hù)機(jī)制，充電系統(tǒng)可發(fā)揮更穩(wěn)定的安全效能。完全整合式CFE可提高充電系統(tǒng)層級安全性，而更安全的電池充電器設(shè)計可延長電池使用壽命，并避免過度充電的危險。