過電壓和過電流保護(hù)提高了充電管理系統(tǒng)的安全性和可靠性

　　對(duì)于小型輕巧便攜式應(yīng)用而言，當(dāng)前大家首選的可充電電池為鋰離子電池。但當(dāng)談及手機(jī)、便攜式媒體播放器或?qū)Ш皆O(shè)備以及其他此類設(shè)備的電源管理時(shí)，設(shè)計(jì)工程師會(huì)使用一組定義明確的電壓電流范圍，其中包括作為電源的電池，向電池準(zhǔn)確可靠地提供能量的充電器，以及線性穩(wěn)壓器或用于系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

　　不過，電源管理設(shè)計(jì)人員并不能控制設(shè)備中實(shí)際使用的電源。該設(shè)備可以連接至許多不同種類的電源，如穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓 AC/DC 適配器，USB 集線器和端口，以及車載和工業(yè)電源系統(tǒng)。這些電源能引起一系列的問題。由于對(duì)外部電源知之甚少，因此需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)以保護(hù)應(yīng)用免受未知或不可預(yù)料事件的損害。

　　在電路和電池應(yīng)用中，現(xiàn)代保護(hù)方案可保護(hù)敏感充電電子元件免受高電壓和過電流條件的損害，通過快速關(guān)斷的卓越的電壓電流管理能力為應(yīng)用提供安全可靠的充電前端。

　　單體鋰離子電池充電系統(tǒng)

　　單體鋰離子電池應(yīng)用中典型的充電和電源管理通常包括兩個(gè)組件：電源和電源轉(zhuǎn)換電路。用戶將一個(gè) AC/DC 墻上適配器或計(jì)算機(jī)的一根 USB 線纜插到便攜式設(shè)備中，以提供大約 5V 的電源電壓。在該設(shè)備中，充電管理芯片對(duì)電池充電進(jìn)行穩(wěn)壓，并為主系統(tǒng)穩(wěn)壓器提供電源。充電管理芯片可以是與高集成的電源管理單元(PMU，包含許多DC/DC和低壓降 (LDO) 穩(wěn)壓器)結(jié)合使用的獨(dú)立充電器。此外，充電功能還被集成到 PMU 中。圖 1 顯示了單體鋰離子電池組電源系統(tǒng)的基本架構(gòu)。

　　以前，設(shè)備廠商限制可整合到他們的應(yīng)用中的電源類型，以確保電子設(shè)備附帶的電源適配器符合特定的工作性能要求。USB 充電并沒有得到廣泛應(yīng)用。

　　不過，由于消費(fèi)電子類產(chǎn)品的巨大成本壓力，供應(yīng)商試圖通過簡(jiǎn)化電源適配器或取消電源適配器和僅提供一根 USB 充電線纜來降低系統(tǒng)成本。此外，巨大的零配件市場(chǎng)允許消費(fèi)者采購(gòu)適合他們的電子設(shè)備的任何類型的電源適配器。USB 充電由于其方便特性成為單體鋰離子電池應(yīng)用的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)政府也要求新生產(chǎn)的便攜式電子設(shè)備有通用的充電器接口。

　　由于設(shè)備對(duì)外接電源沒有限制，因此電源設(shè)計(jì)人員必須預(yù)料到各種各樣的設(shè)備工作和故障模式。零配件市場(chǎng)中的低價(jià) AC/DC 適配器，即使有設(shè)計(jì)規(guī)范，也不那么嚴(yán)格。這可能允許電源線路的峰值 (spike) 現(xiàn)象，或允許簡(jiǎn)單的變壓器型適配器的開路電壓抵達(dá)充電和電池系統(tǒng)。適配器的電子元件可能失效，從而造成不可預(yù)見的過電壓或過電流狀況。長(zhǎng)距離線纜的電感效應(yīng)可能造成更多的電壓和電流瞬變問題。USB 端口和專用 USB 充電器，盡管可能符合 USB 規(guī)范，但是很多時(shí)候都沒有精確穩(wěn)壓到 5V 電源電壓。

　　那么為什么有潛在的可靠性和安全性問題呢?有人可能會(huì)認(rèn)為充電電路提供了足夠的安全機(jī)制，可以承受電源臨時(shí)或長(zhǎng)期的異常工作條件。不幸地是，實(shí)際情況剛好相反。絕大多數(shù)的獨(dú)立充電 IC(事實(shí)上包括當(dāng)今市場(chǎng)上所有的模擬基帶 PMU)都采用了低電壓半導(dǎo)體工藝，通常提供的絕對(duì)最大電壓為 6 到 7V。對(duì)于 5V 系統(tǒng)中的過電壓條件而言，這一最大電壓并沒有提供很多的安全裕度。

　　造成這一情況的是工藝問題。只有極少數(shù)的半導(dǎo)體公司才擁有結(jié)合高電壓電子晶體管和高度集成的芯片邏輯的必要工藝技術(shù)，以制造符合成本有效目標(biāo)的高性能充電 IC。對(duì)于具有電壓管理之外功能(如音頻信號(hào)處理或觸摸屏控制)的集成 PMU 來說，若要實(shí)現(xiàn)最大可能的集成度，同時(shí)又保持最高的音頻性能和精度，則要求使用小體積 (small-structure)、低電壓的 CMOS 工藝。不過，提高集成度的代價(jià)是，最大允許電壓額定值將有所下降。

　　電路和電池保護(hù)考慮因素

　　從本質(zhì)上來說，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)前端的電壓和電流條件可能會(huì)有三個(gè)方面的問題。

　　首先，電源輸入電壓可能會(huì)超過安全工作電壓電平(定義為電路在沒有損害情況下，可持續(xù)工作的電壓電平)。其次，異常負(fù)載條件可能會(huì)造成充電或電源轉(zhuǎn)換電路試圖從電源處獲得超出許可范圍(許可范圍內(nèi)不會(huì)損害電源，或符合輸入電流的給定標(biāo)準(zhǔn))的電流。最后，充電器可能會(huì)發(fā)生故障，使得鋰離子電池穩(wěn)壓電壓超出安全工作電平，甚至可能引起爆炸。

　　傳統(tǒng)上，過電壓保護(hù)是通過瞬態(tài)電壓抑制器(瞬變吸收器)實(shí)現(xiàn)的，而實(shí)現(xiàn)瞬變吸收器功能的是針對(duì)大功率應(yīng)用的齊納二極管。但是瞬變吸收器的響應(yīng)速度可能較慢，并且它們的保護(hù)閾值不是太精確。此外，它們的體積相對(duì)較大。專用的集成輸入過電壓 (OVP) 電路的響應(yīng)速度更快，并且更精確。不過，這仍不足以確保整體的系統(tǒng)安全性和可靠性，因?yàn)榇朔N保護(hù)方法僅適用潛在有害工作條件的一種可能情況。可以使用保險(xiǎn)絲進(jìn)行過電流保護(hù)，但是在瞬變吸收應(yīng)用中，對(duì)快速電壓和電流瞬變來說，保險(xiǎn)絲的響應(yīng)時(shí)間可能不夠。倘若電路永久性毀壞，則需要返回廠商進(jìn)行修理。除了消費(fèi)者安全外，避免成本高昂的現(xiàn)場(chǎng)退貨是設(shè)備廠商努力尋求更高級(jí)保護(hù)措施的首要原因。與提供更多安全保護(hù)層一樣，產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)小巧且成本較低，并且有足夠能力以避免永久性故障。

　　圖 2 中電路的設(shè)計(jì)旨在保護(hù)鋰離子電池免受充電電路和電源故障的影響。IC 不斷監(jiān)控輸入電壓和電流以及電池電壓。若出現(xiàn)輸入過電壓情況，則 IC 將立即通過切斷內(nèi)部開關(guān)來切斷充電電路的電源。若出現(xiàn)過電流狀況，則 IC 會(huì)將系統(tǒng)電流限制在預(yù)編程閾值內(nèi)。若過電流狀況一直持續(xù)，則在消隱期后 IC 將切斷導(dǎo)通元件。

　　此外，IC 會(huì)監(jiān)控其自己的裸片溫度，并在裸片變得太熱時(shí)予以切斷。輸入過電流閾值為用戶可編程的，允許電流最大可達(dá) 1.5A。一個(gè)處理器就可對(duì)電路進(jìn)行控制，并且電路會(huì)向主處理器提供故障狀態(tài)信息。對(duì)于對(duì)空間限制有極高要求的便攜式設(shè)備而言，電路僅使用兩個(gè)很小的 1-µF 電容。電路封裝在一個(gè)很小的2×2 mm2封裝中，這與先前所述使用保險(xiǎn)絲和瞬變吸收器的離散方法相比，極大地減少了完整高性能保護(hù)解決方案的尺寸。

　　如果 AC 適配器的輸入電壓超過了預(yù)編程數(shù)值(VOVP)，如圖3綠色水平線所示，則作為導(dǎo)通元件的內(nèi)部 FET 將關(guān)斷，切斷了電路的電源，F(xiàn)AULT 引腳將驅(qū)低。當(dāng)輸入電壓回到 VOVP – VHYS-OVP (但仍然高于 VUVLO)，則 FET 將在 tON(OVP) 干擾時(shí)間 (deglitch time) 以后再次啟動(dòng)，以確保輸入電源的穩(wěn)定。實(shí)施電壓滯后是為了避免產(chǎn)生振鈴。

　　過電流閾值 IOCP 由連接于 ILIM 引腳至接地的電阻 RILIM 進(jìn)行編程。如果負(fù)載電流試圖超過 IOCP 閾值，則設(shè)備將在消隱期 (tBLANK(OCP)) 內(nèi)限制電流，如圖 4 所示。如果負(fù)載電流在 tBLANK(OCP) 時(shí)間內(nèi)回到了 IOCP 以下，則設(shè)備繼續(xù)工作。不過，若過電流狀況持續(xù)時(shí)間超過 tBLANK(OCP)，則 FET 將關(guān)斷 tON(OCP)，并且 FAULT 引腳將驅(qū)低。然后 FET 在 tON(OCP) 后再次啟動(dòng)，并且電流繼續(xù)被完全監(jiān)控。

　　每次出現(xiàn) OCP 故障時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器將加一。如果在一個(gè)充電周期內(nèi)出現(xiàn)了 15 次 OCP 故障，則 FET 將永久關(guān)斷。計(jì)數(shù)器的清零可通過去掉并重新施加輸入電力，或通過主處理器控制的 CE 引腳的關(guān)閉并重新啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行。可以很容易看到簡(jiǎn)單的保險(xiǎn)絲/瞬變吸收器的結(jié)合應(yīng)用不能滿足這一靈活性水平和系統(tǒng)安全性優(yōu)化的要求。

　　盡管鋰離子電池組通常有專用的安全電路對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)，避免電池受到不安全電壓電平的損害，但最好還是增加一個(gè)備用安全電路，以確保電池被監(jiān)控和保護(hù)，在電池組保護(hù)電路發(fā)生故障時(shí)避免電池受到異常工作條件的損害。

　　圖 2 中的電池過電壓閾值內(nèi)部設(shè)置為 4.35V。如果電池電壓超過了 BVOVP 閾值，則 FET 將切斷，并且 FAULT 引腳驅(qū)低。FET 在電池電壓下降到 BVOVP–VHYS-BOVP 時(shí)再次啟動(dòng)。每當(dāng)電池出現(xiàn)過電壓故障時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器將加一。如果一個(gè)充電周期內(nèi)出現(xiàn)了了 15 次此類故障，則 FET 將永久關(guān)斷。計(jì)數(shù)器的清零可通過去掉并重新施加輸入電力，或利用 CE 引腳關(guān)閉并重新啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行，這與 OCP 計(jì)數(shù)器清零一樣。

　　除了保護(hù)系統(tǒng)免受意外不安全外部條件的損害外，該設(shè)計(jì)還可保護(hù)自身免受過熱引起的損害。如果設(shè)備的結(jié)溫超過了 TJ(OFF)，則將切斷 FET，并且 FAULT引腳將驅(qū)低。FET 在結(jié)溫降到關(guān)斷溫度 TJ(OFF) 減去允許的滯后TJ(OFF-HYS) 以下時(shí)重新啟動(dòng)，以避免錯(cuò)誤的電壓觸發(fā)。

　　通常人們都希望將信號(hào)異常狀況報(bào)告給主系統(tǒng)，以采取進(jìn)一步措施。FAULT 引腳是一個(gè)開漏輸出，在過電壓、過電流以及電池過電壓事件中變低。如果應(yīng)用不要求對(duì) FAULT 引腳進(jìn)行監(jiān)控，則可以留空不接。

　　IC 有一個(gè)開啟和關(guān)閉設(shè)備的啟動(dòng)引腳。當(dāng) CE 引腳為高時(shí)，則內(nèi)部 FET 將關(guān)閉。當(dāng) CE 引腳為低時(shí)，則只要其它條件安全，F(xiàn)ET 將會(huì)啟動(dòng)。CE 引腳有一個(gè)內(nèi)部下拉電阻，并可留空不接。請(qǐng)注意，F(xiàn)AULT 引腳在 CE 引腳為高時(shí)，其功能也被禁止。

　　結(jié)論

　　現(xiàn)代便攜式設(shè)備可以由多種類型的電源進(jìn)行充電，電源的工作和故障模式通常都是設(shè)計(jì)工程師未知的。雖然使用保險(xiǎn)絲和瞬變吸收器的傳統(tǒng)保護(hù)電路提供了某種程度的保護(hù)，但是不能滿足當(dāng)今對(duì)小尺寸封裝、低功耗以及快速重復(fù)響應(yīng)的要求。全面集成的過電壓、過電流和電池過電壓電路提供了最大化的安全性和可靠性，同時(shí)又僅占用最小的板級(jí)空間，并避免了昂貴的現(xiàn)場(chǎng)退貨。