先進(jìn)的鋰離子電池系統(tǒng)充電管理和保護(hù)

許多便攜式設(shè)備選擇鋰離子 (Li-Ion) 化學(xué)電池作為其電池技術(shù)已經(jīng)變得十分普遍。在要求的充電算法方面，這種化學(xué)電池已為人們所熟知，市場(chǎng)上有許多充電管理集成電路 (IC)，而其頗具競(jìng)爭(zhēng)力的低成本又推動(dòng)它在更多應(yīng)用中的使用。現(xiàn)在，電源、充電 IC 產(chǎn)品和系統(tǒng)架構(gòu)種類繁多，工程師們忙于挑選出合適的充電和充電保護(hù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文介紹了獲得最大安全性、可靠性和系統(tǒng)性能的一些重要的系統(tǒng)保護(hù)方法和先進(jìn)充電管理。

　　過(guò)壓和過(guò)電流保護(hù)的諸多挑戰(zhàn)

　　諸如移動(dòng)電話、媒體播放器或 GPS 系統(tǒng)的便攜式終端設(shè)備通常都帶有一個(gè)已知電源電壓和電流特性的專用電源，且一般都具有一個(gè)專用插頭。這樣做的目的是避免消費(fèi)者使用非許可電源或反向連接電源。今天，在更高能效需求的推動(dòng)下，消費(fèi)者和標(biāo)準(zhǔn)組織都要求通用電源接口，旨在讓不同廠商的終端設(shè)備都能夠使用標(biāo)準(zhǔn)化的 AC/DC 適配器或 USB 連接。

　　這給電源設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(xiàn)在消費(fèi)者控制著插入設(shè)備的電源?，F(xiàn)在，要求在充電器電路前面增加保護(hù)電路來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受過(guò)電壓和過(guò)電流情況的損壞，同時(shí)避免對(duì)終端設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重的破壞。更重要的是，它要消除可能會(huì)給終端用戶帶來(lái)危險(xiǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于這種保護(hù)電路需要防止“大量未知情況”的發(fā)生，因此它必須在保證設(shè)備在規(guī)定限制范圍內(nèi)得到充電的同時(shí)，還要包括各種輸入電源狀態(tài)。一些實(shí)際應(yīng)用情況的例子是符合中國(guó)通用標(biāo)準(zhǔn)充電器規(guī)范的 USB 充電，以及通過(guò)低成本、未調(diào)節(jié)墻上電源進(jìn)行的充電。這些都可能會(huì)出現(xiàn) 10V 以上的臨時(shí)開(kāi)路電壓，而且要求充電管理系統(tǒng)仍然充電至該閾值。這就給輸入和輸出保護(hù)電路提出了許多具體的要求。

　　在較高的電路板空間和成本限制條件下，保護(hù)解決方案的輸入需要經(jīng)受盡可能高的電壓。它要在規(guī)定操作環(huán)境下通過(guò)電能，并在預(yù)計(jì)過(guò)壓保護(hù)閾值 (OVP) 以上阻擋電能，同時(shí)不損壞設(shè)備。在解決方案的最大絕對(duì)額定值以上，它需要中斷“開(kāi)路”來(lái)避免潛在有害過(guò)電流進(jìn)入系統(tǒng)。不管是電池供電還是直接由 AC 適配器供電，輸出都必須保證電壓電平不超出子系統(tǒng)的規(guī)范。通常，諸如電壓保護(hù)和處理的子系統(tǒng)均不能承受使用對(duì)過(guò)壓敏感的高性價(jià)、低壓工藝技術(shù)所帶來(lái)的高壓輸入瞬態(tài)。

　　從安全性和符合規(guī)范的角度來(lái)看，過(guò)電流保護(hù)和電流限制可能都是值得的，其目的是不超出上電時(shí)的浪涌電流極限或不超過(guò)最大 USB 電流規(guī)范。

　　圖 1 描述了一個(gè)單節(jié)鋰離子電池系統(tǒng)中充電器子系統(tǒng)輸入保護(hù)的兩種情況。在情況 A 中，充電功能主要由集成于一個(gè)低壓電源管理單元的軟件控制充電電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。其通常為無(wú)線手持設(shè)備、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)或藍(lán)牙耳機(jī)的高集成芯片組的組成部分。這種情況下，一個(gè)單獨(dú)的過(guò)壓和過(guò)電流保護(hù) IC 對(duì)于增加必要的保護(hù)功能是非常有意義的。

　　在情況 B 中，充電功能由一個(gè)專用獨(dú)立充電器 IC 來(lái)實(shí)現(xiàn)，它對(duì)電池充電和動(dòng)態(tài)電源路徑控制進(jìn)行管理，以保證系統(tǒng)正常工作——即使是使用有缺陷、完全放電的電池組或電池組被去掉的情況下。為了最少化充電控制相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)工作，系統(tǒng)工程師可能會(huì)選擇這種配置。此外，設(shè)計(jì)人員可能還想要保護(hù)系統(tǒng)，以免受鎖定微控制器帶來(lái)的多余、潛在非安全充電行為的損害。在這種應(yīng)用情況下，在充電器IC中集成過(guò)電壓保護(hù)和電流限制功能是有很合理的。

圖 1 輸入保護(hù)和充電管理的系統(tǒng)拓?fù)?/P>

　　情況 A：模擬基帶的系統(tǒng)保護(hù)

　　在模擬基帶所需集成度和成本水平給定的情況下，通常使用基于 CMOS 技術(shù)的 IC 工藝，其電壓承受范圍為 4.5 到 6 伏特 (V)。更低的半導(dǎo)體工藝電壓一般意味著片上電源組件更高的數(shù)字密度和更小的硅芯片尺寸，例如：晶體管和二極管。這便帶來(lái)更小的裸片尺寸和封裝，從而獲得更低的總系統(tǒng)成本。但是，其通常還伴隨著更高的過(guò)壓敏感度，從而產(chǎn)生電氣過(guò)應(yīng)力。

　　這就是說(shuō)，保護(hù)解決方案的輸出必須保證在任何輸入環(huán)境下都不超出這個(gè)電平，包括靜態(tài) DC 操作電平和瞬態(tài)條件。理想情況下，它調(diào)節(jié)輸出到某個(gè)預(yù)設(shè)限制，同時(shí)在沒(méi)有損壞的情況下接受一個(gè)寬輸入范圍。在情況 A 中，假設(shè)基帶 IC 和其他子系統(tǒng)組件可以承受約 6V 的絕對(duì)最大電壓，例如：線性穩(wěn)壓器 (LDO) 和 DC/DC 開(kāi)關(guān)式電源轉(zhuǎn)換器等。因此，保護(hù) IC 的輸出被調(diào)節(jié)到額定 5.5V，以容許瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間帶來(lái)的調(diào)節(jié)容差。

　　該保護(hù)電路輸入兼顧 “正常使用”環(huán)境、充電時(shí)正常操作期間出現(xiàn)的可承受瞬態(tài)條件，以及系統(tǒng)需要徹底保護(hù)的異常瞬態(tài)。

　　通過(guò) USB 電源充電在當(dāng)今十分流行，其中，USB 2.0 規(guī)范規(guī)定額定 VBUS 工作電壓為 5V，最小電壓為 4.75V，而最大電壓為 5.25V。這些電源可能是符合 USB 規(guī)范的電腦 USB 端口或 USB 集線器。但是，它們也可以從一個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)的 AC/DC 墻上適配器獲得電源，其“模仿”USB 端口的電源行為。這里的正常使用環(huán)境是指 5V 額定電壓。但是，新興的中國(guó)通用標(biāo)準(zhǔn)充電適配器規(guī)范打算簡(jiǎn)化 USB 端口和適配器供電終端設(shè)備的電源使用，其要求在高達(dá) 6V 的 VBUS 電源瞬態(tài)期間也要不間斷充電，而該電壓超出了模擬基帶的額定電壓，并且會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。就這類應(yīng)用而言，建議使用 5.85V 的輸入 OVP 電平，超出該電平保護(hù)電路便會(huì)切斷系統(tǒng)的電源。如果在該輸入 OVP 閾值以下，輸出就會(huì)被調(diào)節(jié)到安全的 5.5V。這就是說(shuō)，達(dá)到 OVP 電平的運(yùn)行是理想的，并被視作可接受的瞬態(tài)環(huán)境。OVP 電平以上的瞬態(tài)環(huán)境被視作異常，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行隔離。假設(shè)系統(tǒng)工作在保護(hù)模式下。一流的集成保護(hù)電路可以承受高達(dá) 30V 的過(guò)壓，并能從這種狀態(tài)下恢復(fù)正常。超出這一電平時(shí)，可增加如齊納二級(jí)管等附加電路來(lái)對(duì) 30V 電平以上的 OVP IC 進(jìn)行保護(hù)。

　　在未穩(wěn)壓、低成本 AC/DC 墻上適配器的應(yīng)用情況中，負(fù)載條件下額定適配器電壓可能規(guī)定為 5V。但是，由于這些低成本適配器的固有特性，無(wú)負(fù)載條件下在首次接入期間可能會(huì)出現(xiàn)高達(dá) 10V 的開(kāi)路電壓，其會(huì)立刻毀壞低壓芯片組。在這種情況下，便會(huì)用到 10.5V OVP 閾值的保護(hù)電路，保護(hù)電路輸出穩(wěn)壓到安全的 5.5V。根據(jù)不同的輸入電源，需要選擇具有合適 OVP 電平的正確解決方案。

　　圖 2 顯示了這類線性穩(wěn)壓模式過(guò)壓保護(hù)解決方案的電壓保護(hù)情況。

圖 2 顯示了這類線性穩(wěn)壓模式過(guò)壓保護(hù)解決方案的電壓保護(hù)情況。

　　0V 到欠壓鎖定 (UVLO) 電平（IC 工作電平）的輸入電壓情況下，保護(hù)電路的輸出保持在 0V。盡管輸入電壓低于調(diào)節(jié)電壓 VO(REG) ，但是 VUVLO 以上時(shí)輸出電壓會(huì)跟蹤輸入電壓低于保護(hù)電路的保護(hù) FET 的 RDS,on 帶來(lái)的壓降。輸入電壓在 VO(REG) 和 VOVP 之間時(shí)（也即容許瞬態(tài)條件閾值），輸出被穩(wěn)壓到 5.5V。如果輸入電壓上升至 VOVP 以上，則保護(hù) FET Q1 被關(guān)閉，從而去除輸出電源。其響應(yīng)必須迅速，F(xiàn)ET 須在一微秒以內(nèi)關(guān)閉。這種狀態(tài)通過(guò)一個(gè) FAULT 信號(hào)發(fā)送至主機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)輸入電壓返回到 VOVP 減去滯后電壓 Vhys(OVP) 以下但仍然在 VUVLO 以上時(shí)，保護(hù) FET 在一個(gè) tON(OVP) 抗尖峰脈沖時(shí)間后再次開(kāi)啟，以保證輸入電源已穩(wěn)定。

　　解決方案的過(guò)電流保護(hù) (OCP) 閾值可以通過(guò)一個(gè)電阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程，以達(dá)到易用性。如果負(fù)載電流要超出 IOCP 閾值，則器件在 tBLANK(OCP) 消隱期間對(duì)電流進(jìn)行限制。如果負(fù)載電流在 tBLANK(OCP) 時(shí)間結(jié)束以前返回至 IOCP 以下，則該解決方案繼續(xù)工作。但是，如果過(guò)電流狀態(tài)持續(xù)處在 tBLANK(OCP) ，則 Q1 關(guān)閉一個(gè) tREC(OCP) 的恢復(fù)時(shí)間段，同時(shí)發(fā)送一個(gè)故障信號(hào)。FET 在恢復(fù)時(shí)間以后再次開(kāi)啟，并且電流再次受到全程監(jiān)控。一旦 OCP 故障出現(xiàn)，內(nèi)部計(jì)算器便遞增。如果一個(gè)充電周期內(nèi)出現(xiàn)幾個(gè) OCP 故障，則 FET 就會(huì)被永久關(guān)閉。通過(guò)取下并重新接通輸入電源或重啟器件，可以清零計(jì)算器。為了防止輸入電壓出現(xiàn)輸入線纜電感引起的尖峰上升，可以慢慢關(guān)閉 Q1，以實(shí)現(xiàn)一次“軟停機(jī)”。

　　也可以實(shí)施一種更嚴(yán)格的電池過(guò)壓保護(hù)，其對(duì)每個(gè)電池過(guò)壓事件均發(fā)送故障信號(hào)。

　　情況 B：綜合保護(hù)和充電功能

　　在一個(gè)單獨(dú) IC 中考慮充電器功能的情況下，應(yīng)該實(shí)施類似的過(guò)壓保護(hù)和電流限制功能，以保護(hù)系統(tǒng)免受 DC 電源線上過(guò)壓峰值的損害，同時(shí)允許使用低成本、未穩(wěn)壓的墻上電源。充電 IC 還必須進(jìn)行不超出子系統(tǒng)諸多限制的正確的輸出電壓穩(wěn)壓。另外，充電器解決方案現(xiàn)在需要對(duì)許多功能進(jìn)行管理，例如：USB 電流限制和電源路徑管理等，以保證符合標(biāo)準(zhǔn)和不違反所有工作條件的系統(tǒng)啟動(dòng)。圖 3 顯示了一個(gè)具有集成 OVP 和輸入電流限制的 USB 標(biāo)準(zhǔn)充電實(shí)施。

　　當(dāng)今的一些先進(jìn)解決方案，能夠在同時(shí)、獨(dú)立地為電池充電期間也為系統(tǒng)供電。這就減少了電池的充放電周期數(shù)，實(shí)現(xiàn)了正確的充電終止，并使系統(tǒng)能夠運(yùn)行在缺陷或無(wú)電池組的情況下，例如：生產(chǎn)測(cè)試環(huán)境等。它甚至還允許在電池完全放電的情況下即時(shí)開(kāi)啟系統(tǒng)。輸入電流監(jiān)控和限制是達(dá)到 USB 標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。在許多應(yīng)用情況中，對(duì)電池充電和運(yùn)行系統(tǒng)的輸入電源可以是一個(gè) AC/DC 適配器，也可以是一個(gè) USB 端口。動(dòng)態(tài)電源路徑管理 (DPPM) 在系統(tǒng)和電池充電之間共享電源電流，并在系統(tǒng)負(fù)載上升時(shí)自動(dòng)減少充電電流。當(dāng)通過(guò) USB 端口充電時(shí)，如果輸入電壓降至防止 USB 端口崩潰的閾值以下，則基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理 (IDPM) 便減少輸入電流。當(dāng)適配器無(wú)法提供峰值系統(tǒng)電流時(shí)，電源路徑架構(gòu)還允許電池補(bǔ)償這類系統(tǒng)電流要求。我們的標(biāo)準(zhǔn)是使用恒流、恒壓 (CCCV) 充電方案和利用預(yù)充電和溫度達(dá)標(biāo)的電池預(yù)調(diào)節(jié)。

　　輸入電壓保護(hù)

　　與單獨(dú)保護(hù)解決方案類似，充電器應(yīng)防止出現(xiàn)高輸入電壓損壞。當(dāng)輸入電壓高于 VOVP 的持續(xù)時(shí)間超過(guò)抗尖峰脈沖時(shí)間時(shí)，OVP 便關(guān)閉輸出穩(wěn)壓，并中斷充電。在 OVP 時(shí)，系統(tǒng)輸出 (OUT) 被連接至電池，且充電器發(fā)送一個(gè)差輸入電源信號(hào)。一旦 OVP 條件消失，一個(gè)新的上電序列便開(kāi)始，同時(shí)充電器被復(fù)位。

　　具有輸入電流限制和輸出穩(wěn)壓功能的動(dòng)態(tài)電源路徑管理

　　在一些具有電源路徑管理的系統(tǒng)中，充電器擁有為外部負(fù)載供電的輸出。這種系統(tǒng)不直接連接至電池，這是很重要的一點(diǎn)。只要電源連接至充電器輸入 (IN) 或電池輸入 (BAT)，則該輸出便有效。

圖 3 帶動(dòng)態(tài)電源路徑管理功能的線性、USB 標(biāo)準(zhǔn)充電器

　　通過(guò)連接如 AC/DC 適配器或 USB 端口等電源，DPPM 電路持續(xù)監(jiān)控輸入電流。充電器輸出可被調(diào)節(jié)到 BAT 電壓以上 200mV。當(dāng) BAT 電壓降至 3.2V 以下時(shí)，OUT 被鉗位控制至 3.4V。這就允許即使是在電池放電的情況下也可以獲得正確的系統(tǒng)負(fù)載啟動(dòng)。流入 IN 的電流在 OUT 下對(duì)電池充電并為系統(tǒng)供電。為了包括各種應(yīng)用，充電電路需要具有 100mA (USB100) 和 500mA (USB500) 的可選電流限制以通過(guò) USB 端口進(jìn)行充電，同時(shí)還要有一個(gè)調(diào)節(jié)適應(yīng)不同 AC/DC 適配器的電阻器可編程輸入電流限制。輸入電流限制選擇由 EN1 和 EN2 引腳的狀態(tài)來(lái)控制。使用電阻器可編程電流限制時(shí)，輸入電流限制由連接 ILIM 引腳到 VSS 的電阻器值設(shè)定。當(dāng)連接 IN 電源時(shí)，優(yōu)先考慮系統(tǒng)負(fù)載。DPPM 和電池補(bǔ)償模式均用于維持系統(tǒng)負(fù)載。圖 4 描述了 DPPM 和補(bǔ)償模式的例子。

圖 4 DPPM 和電池補(bǔ)償模式（VOREG = VBAT + 225mV，VBAT = 3.6V）

　　基于輸入電壓的 DPM (IDPM) 可用于電流限制 USB 端口運(yùn)行。當(dāng) EN1 和 EN2 針對(duì) USB 100 或 USB 500 模式配置時(shí)，輸入電壓得到監(jiān)控。如果 VIN 降至某個(gè)特定的輸入電壓閾值，則減小輸入電流限制來(lái)阻止輸入電壓進(jìn)一步降低。這樣做可以防止充電器電路破壞設(shè)計(jì)不當(dāng)或錯(cuò)誤配置的 USB 電源。當(dāng)充電電流和系統(tǒng)負(fù)載電流的和超出由 EN1、EN2 和 ILIM 設(shè)定的最大輸入電流時(shí)，OUT 電壓就會(huì)下降。一旦 OUT 引腳的電壓降至 DPPM 閾值以下，充電電流就會(huì)隨著 OUT 電流增加而減小，以維持系統(tǒng)輸出。

　　當(dāng)沒(méi)有電源連接至 IN 輸入時(shí)，OUT 完全通過(guò)電池驅(qū)動(dòng)。該模式下，流入 OUT 的電流未得到調(diào)節(jié)。但是，需要開(kāi)啟短路電路來(lái)防止系統(tǒng)過(guò)載充電器。

　　結(jié)論

　　鋰離子化學(xué)電池在消費(fèi)類應(yīng)用中的使用已為人們所熟知。許多充電解決方案已經(jīng)不僅僅是對(duì)恒壓和恒流充電進(jìn)行管理。當(dāng)今的充電管理電路需要面對(duì)為數(shù)眾多的保護(hù)功能，從輸入過(guò)壓及過(guò)電流到電池過(guò)電壓。為了保證符合各種電源接口和充電標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備在各種電池應(yīng)用環(huán)境下的使用，擁有動(dòng)態(tài)輸入管理和電源路徑管理功能是必需的。