面面俱到的電池檢測設(shè)計,確保手機充電器充放電安全
發(fā)布時間:2016-01-14 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】智能手機的普及使得電池充電安全受到重視,因此充電器制造商在設(shè)計產(chǎn)品時,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及保護(hù)功能的充電晶片,以降低過電流、過電壓或過溫等狀況所造成的危險。
隨著科技進(jìn)步、生活品質(zhì)提升,電子產(chǎn)品的蹤跡到處可見,其中又以手機為人類生活中不可或缺的必需品。不論是早期黑金剛手機或現(xiàn)今功能強大的智慧型手機,皆需要電源才能運作。
早期手機的電池主要有二種,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,已經(jīng)是非常的少見,絕大部分都是使用鋰離子電池,尤其消費者希望手機待機時間更長,且體積要更小,所以鎳氫、鎳鎘電池已經(jīng)慢慢不能符合消費者的期望而被淘汰。 雖然鎳氫、鎳鎘電池在價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。
智慧型手機因其功能強大、螢?zāi)缓碾娏看?,更是需要電池容量大及電力更耐久的鋰離子電池。當(dāng)手機電池電量不足時,使用者通常會以充電器或搭配一組行動電源隨時對電池進(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。
由表1優(yōu)缺點看來,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?zé)o論是在體積、重量及容量(電子產(chǎn)品的使用時間)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;電池供電(放電)時,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),以避免發(fā)生危險;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)的充電器或行動電源時,這仍然是一項重要的考量因素。
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,其充電電流便會開始下降,如此可避免對電池過度充電,造成電池?fù)p傷;當(dāng)充電電流降至一定程度時,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,若長時間放置不使用會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,充電器會重新開始對電池充電,確保電池在使用時還能維持一定電壓。
四階段充電簡述
以下使用沛亨半導(dǎo)體的充電積體電路(IC)--AIC6511做鋰離子電池充電簡介,圖1為鋰離子電池充電曲線圖:
圖1 鋰離子電池充電曲線圖
Trickle Charge or Pre-Charge
此時的鋰離子電池電壓小于3伏特(V),當(dāng)充電器開始對電池充電時,因鋰離子電池的特性,其內(nèi)部阻抗會很大,故充電器會先以一微小電流對電池進(jìn)行充電,此時電池電壓持續(xù)上升。
定電流充電(CC Charge)
當(dāng)電池充電電壓上升至約3伏特時,充電器改以最大充電電流對電池進(jìn)行定電流充電,此時電池電壓持續(xù)上升。
定電壓充電(CV Charge)
當(dāng)電池充電電壓上升至接近鋰離子電池的飽和點電壓約4.2伏特時,充電器改以定電壓模式對電池進(jìn)行充電,此時充電電流開始下降。
Charge Full
當(dāng)充電電流降至微小電流時,充電器停止對電池充電。
電池在充電完成后,若長時間放置不使用會有自然放電的情形出現(xiàn),為避免電池過度放電導(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,會重新開始對電池進(jìn)行CC Charge模式充電,確保電池在使用時還能維持一定電壓。
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,此時充電器會先以微弱電流對電池進(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電池進(jìn)行CC Charge,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電壓約4.2伏特時,充電器改以CV Charge對電池進(jìn)行充電,此時充電電流開始下降,當(dāng)充電電流降至約等于Pre-Charge電流時,充電器停止對電池充電,即完成充電。
不論是用通用序列匯流排(USB)或AC電源轉(zhuǎn)換器(Adapter)輸入電源對電池充電,當(dāng)電池開始充電后,若充電時間超過其設(shè)定時間,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的充電計時保護(hù)功能使充電器停止對電池充電。
充電計時保護(hù)確保電池安全
圖2為本文范例充電IC的腳位示意圖,充電計時保護(hù)時間由IC外部TMR腳位(Pin 15)的電容CTMR設(shè)定,CTMR選擇方式如下:
圖2 AIC6511腳位示意圖
若電池在充電狀態(tài)下,充電時間已超過使用者所設(shè)定的充電計時保護(hù)時間,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IC的充電計時保護(hù)功能就會立即啟動,迫使充電器停止對電池充電(圖3),此時的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時保護(hù)功能。
圖3 充電器是否正確檢測電池充電情形,對于使用安全至關(guān)重要。
當(dāng)輸入電源重置、EN訊號觸發(fā)時,皆能解除充電計時保護(hù)時間,使其重新計時。
充電指示狀態(tài)
圖4中,STAT1(Pin 12)及STAT2(Pin 13)內(nèi)部為兩個Open-Drain的N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)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,其動作情形如表2所示。
圖4 AIC6511典型應(yīng)用電路
輸入電源偵測防止電池漏電流倒灌
AC Adapter或USB兩種不同輸入電源皆可對電池充電。若同時接上AC Adapter及USB電源,IC內(nèi)部開關(guān)會優(yōu)先選擇AC Adapter端做為充電器的輸入電源;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)之充電電流對電池進(jìn)行充電,最大充電電流由RS1電阻設(shè)定。
USBIN
USBIN腳位(Pin 5)供USB電源輸入。在選擇USBIN充電模式時,其輸入限制電流由RILIM電阻設(shè)定,設(shè)定500毫安培(mA)適用于USB 2.0,900毫安培適用于USB 3.0。
當(dāng)使用USBIN模式時,CC Charge電流會隨不同輸入電壓和電池電壓變動,藉由偵測在CC Charge時流經(jīng)RS1電阻的電流來調(diào)節(jié)其固定輸入限制電流IUSB_LIM。在充電過程中,若將AC Adapter及USB電源移除,IC內(nèi)部開關(guān)皆會截止并啟動防倒灌保護(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
本文范例晶片提供USB及AC Adapter兩種輸入電源模式選擇對電池充電,其充電電流設(shè)定如下:
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。
NTC熱敏電阻維持電池溫度安全
負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的阻值與溫度成反比,會因高溫遞減、低溫遞增,且溫度系數(shù)非常大,可用于檢測微小的溫度變化,因而被廣泛的應(yīng)用在溫度的量測與補償控制。
圖5為電池溫度偵測電路,透過圖4中NTC腳位(Pin 14)偵測NTC熱敏電阻的電壓,充電IC能持續(xù)偵測電池的溫度,確保電池溫度的安全操作范圍。
圖5 電池溫度偵測電路
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;一旦偵測到電池溫度超過正常操作溫度范圍,會立即關(guān)閉內(nèi)部的同步降壓器并停止充電動作;當(dāng)電池溫度回復(fù)至正常溫度范圍時,充電器將重新恢復(fù)充電動作。
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,可使電池溫度偵測功能除能。
過溫度保護(hù)防止充電過熱
過溫度保護(hù)可避免IC在充電時發(fā)生過熱情形。
此功能透過監(jiān)測充電IC的接面溫度(TJ),一旦發(fā)現(xiàn)TJ的溫度已達(dá)到過溫度點(TSHTDWN)約150℃左右時,IC便會立即關(guān)閉充電器,使其停止充電;待TJ溫度降至約130℃時,IC才會重新啟動。
選用合適充電IC,鋰離子電池充電器更穩(wěn)定
本文范例IC為開關(guān)切換式鋰離子電池充電器,內(nèi)部為同步降壓型轉(zhuǎn)換器架構(gòu),不須加裝額外的開關(guān)及二極體,能提供USB及AC Adapter兩種輸入電源模式選擇對電池充電,并具備充電保護(hù)功能。
由于鋰離子電池的電氣特性較鎳氫、鎳鎘電池穩(wěn)定,在設(shè)計充電器方面也相對容易,只要先了解鋰離子電池的相關(guān)規(guī)格、再依需求選擇合適的充電IC(圖6),就能輕松地設(shè)計一個鋰離子電池充電器。
圖6 充電IC可檢測電池充電情形,使充電器兼顧效能與安全性。
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個新物料
- 大聯(lián)大世平集團(tuán)的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)(DMS)方案榮獲第六屆“金輯獎之最佳技術(shù)實踐應(yīng)用”獎
- X-CUBE-STL:支持更多STM32, 揭開功能安全的神秘面紗
- 觸摸式OLED顯示屏有望重新定義汽車用戶界面
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
音頻IC
音頻SoC
音頻變壓器
引線電感
語音控制
元件符號
元器件選型
云電視
云計算
云母電容
真空三極管
振蕩器
振蕩線圈
振動器
振動設(shè)備
震動馬達(dá)
整流變壓器
整流二極管
整流濾波
直流電機
智能抄表
智能電表
智能電網(wǎng)
智能家居
智能交通
智能手機
中電華星
中電器材
中功率管
中間繼電器