整合式CFE防護(hù)提高充電系統(tǒng)層級(jí)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(jì)簡(jiǎn)化、低成本及小體積尺寸等需求。其中的設(shè)計(jì)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(shí)盡可能降低產(chǎn)生的熱量。最新開(kāi)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(shí)間，同時(shí)解決散熱問(wèn)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(jì)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(shí)，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(shí)(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(shí)，最大功耗即為1.8瓦(W)。對(duì)于熱阻抗為47℃/瓦的3毫米×3毫米四方形平面無(wú)接腳封裝(QFN)，功耗會(huì)造成溫度升高85℃。接點(diǎn)溫度會(huì)超過(guò)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(jì)在開(kāi)始充電時(shí)，將接點(diǎn)溫度維持在安全范圍內(nèi)，是一項(xiàng)相當(dāng)困難的工作。在充電過(guò)程中，隨著電池電壓升高，功耗也會(huì)逐漸下降。

　　散熱調(diào)節(jié)回路可避免充電器過(guò)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(jì)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(guò)熱。內(nèi)部晶片溫度達(dá)到預(yù)先定義的溫度臨界值時(shí)，如110℃，后續(xù)的IC溫度提高，都會(huì)減少充電電流，如此即可限制功耗，提升充電器的過(guò)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(shí)，充電電流會(huì)達(dá)到充電終止臨界值，這會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)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(dòng)。為避免錯(cuò)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(huì)使電池充電終止。此外，有效充電電流也會(huì)減少，使電池充電時(shí)間增加，因此，固定式安全計(jì)時(shí)器可能導(dǎo)致充電安全計(jì)時(shí)器錯(cuò)誤終止。先進(jìn)的電池充電器采用可自動(dòng)減速時(shí)脈頻率的動(dòng)態(tài)安全計(jì)時(shí)器，動(dòng)態(tài)計(jì)時(shí)器控制電路可有效延長(zhǎng)安全計(jì)時(shí)器持續(xù)時(shí)間，大幅降低安全計(jì)時(shí)器因散熱調(diào)節(jié)引起的故障機(jī)率。

　　加入第二層過(guò)壓防護(hù)提高電池安全性

　　如何才能提高系統(tǒng)層級(jí)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(jì)人員必須克服技術(shù)難題，在使用不同轉(zhuǎn)接器時(shí)滿足各種安全要求，其中的困難包括輸入過(guò)壓、輸入過(guò)流、電池過(guò)壓及反向輸入電壓，這些都會(huì)造成系統(tǒng)損壞。

　　轉(zhuǎn)接器熱插拔、轉(zhuǎn)接器錯(cuò)誤、暫態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)壓等問(wèn)題，都可能導(dǎo)致輸入過(guò)壓。當(dāng)轉(zhuǎn)接器熱插入時(shí)，纜線電感與系統(tǒng)輸入解耦合電容之間的諧振會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓。對(duì)于獨(dú)立式充電器而言，輸入過(guò)流可能不會(huì)造成問(wèn)題，因?yàn)榉€(wěn)定電流模式會(huì)限制供應(yīng)給輸出或電池的電流量。不過(guò)，對(duì)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(guò)多電流時(shí)通常沒(méi)有任何防護(hù)。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)計(jì)人員對(duì)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(guò)度充電，可能會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的燃燒狀況。過(guò)度充電的跡象就是電池電壓升高。愈來(lái)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(guò)壓防護(hù)移除輸入電源，在偵測(cè)電池過(guò)壓時(shí)關(guān)閉CFE功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)即可。

　　圖6顯示一般系統(tǒng)層級(jí)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(guò)壓防護(hù)。無(wú)論出現(xiàn)何種故障狀況，CFE都會(huì)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(jí)CFE電路

　　依據(jù)電池特性、充電器IC設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)層級(jí)安全考量，對(duì)設(shè)計(jì)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(jí)安全性，而更安全的電池充電器設(shè)計(jì)可延長(zhǎng)電池使用壽命，并避免過(guò)度充電的危險(xiǎn)。