中心議題：

• 電池充電係統
• 鋰離子電池的安全性
• 安全性更高的電池充電器設計

解決方案：

• 係統級充電前端 （CFE） 的安全設計

電池供電的便攜式裝置

，如手機已成為人們日常生活中的重要組成部分。許多類型的適配器可用來為鋰離子（Li-ion）電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)，並(bing)為(wei)係(xi)統(tong)供(gong)電(dian)
，而(er)各(ge)製(zhi)造(zao)商(shang)的(de)電(dian)氣(qi)規(gui)格(ge)通(tong)常(chang)是(shi)不(bu)同(tong)的(de)。這(zhe)對(dui)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)構(gou)建(jian)便(bian)攜(xie)式(shi)裝(zhuang)置(zhi)提(ti)出(chu)了(le)要(yao)求(qiu)，在(zai)采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)適(shi)配(pei)器(qi)時(shi)均(jun)符(fu)合(he)安(an)全(quan)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)需(xu)求(qiu)。介(jie)紹(shao)了(le)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)前(qian)端(duan)（CFE）器件，即德州儀器（TI）公司的bq243xx,該器件專門做了優化，以提高鋰離子供電係統的安全性。充電係統將電池充電器器件
、保護模塊和bq243xx CFE集中在一個電池盒內，提供更強大的係統級保護。

電池充電係統

圖 1 是典型電池充電係統的示意圖。係統輸入為 AC 牆式適配器提供的 DC 電源或 USB 接口等提供的 DC 電源。典型的電池充電係統包括充電前端 （CFE）、電池充電器以及電池組。CFE 保護集成電路 （IC） 集成輸入過壓、過流及電池過壓保護機製，可提高電池供電係統的安全性。電池充電器 IC 可(ke)調(tiao)節(jie)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)及(ji)電(dian)流(liu)
，並(bing)監(jian)控(kong)電(dian)池(chi)溫(wen)度(du)，從(cong)而(er)可(ke)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)，提(ti)高(gao)安(an)全(quan)性(xing)。了(le)解(jie)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)特(te)性(xing)對(dui)設(she)計(ji)安(an)全(quan)性(xing)更(geng)高(gao)的(de)充(chong)電(dian)係(xi)統(tong)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。

圖 1：典型的電池充電係統

鋰離子電池的安全性

輸入過壓、輸入過流、電池電壓過大或反向輸入電壓都可能導致充電係統損壞。帶電插拔適配器或適配器使用不當會引起輸入過壓；瞬時過壓或穩態過壓也會導致輸入過壓。對正在充電


、非(fei)穩(wen)壓(ya)的(de)適(shi)配(pei)器(qi)進(jin)行(xing)帶(dai)電(dian)插(cha)拔(ba)，適(shi)配(pei)器(qi)使(shi)用(yong)不(bu)當(dang)或(huo)負(fu)載(zai)瞬(shun)變(bian)是(shi)最(zui)常(chang)見(jian)的(de)引(yin)發(fa)過(guo)壓(ya)的(de)事(shi)件(jian)。空(kong)載(zai)時(shi)非(fei)穩(wen)壓(ya)適(shi)配(pei)器(qi)將(jiang)對(dui)適(shi)配(pei)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)，充(chong)電(dian)至(zhi)整(zheng)流(liu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)峰(feng)值(zhi)，約(yue)為(wei)額(e)定(ding)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)的(de)1.4倍。這對於"低壓製程"（ V工藝）的器件來說往往會造成問題。圖1weidianxingwenyashipeiqishuchudianyayufeiwenyashipeiqidefuzaiquxian。shuruguoliubuhuidaozhidulishichongdianqisunhuai，yinweitamendehengdingdianliumoshixianzhileshuchuhuodianchidianliudaxiao。raner，dianyuanlujingguanliqijiandeshuruyuxitongzongxiandianyazhijiexianglian
，tongchangweiyouzhenduidadianliudebaohujizhi。jinlai，shejirenyuanduixianzhidianliumoshixiagongzuodeshipeiqianquanxinggeiyujiaoduoguanzhu，bingqiwangnengjiezhuyukebianchengdianliuxianzhidianlulaiquebaoshipeiqibujinruxianliumoshi。

眾所周知
，高溫下鋰離子電池和鋰聚合物電池組過充電，就可能發生"爆炸起火".產chan生sheng過guo充chong電dian的de主zhu要yao原yuan因yin是shi電dian池chi電dian壓ya過guo高gao。為wei了le提ti高gao電dian池chi的de安an全quan性xing，許xu多duo製zhi造zao商shang都dou加jia入ru了le二er級ji過guo壓ya保bao護hu以yi在zai檢jian測ce到dao電dian池chi電dian壓ya過guo高gao時shi移yi走zou輸shu入ru電dian源yuan。采cai用yong通tong用yong連lian接jie器qi時shi，應ying注zhu意yi反fan極ji性xing適shi配pei器qi是shi否fou連lian接jie到dao輸shu入ru。若ruo沒mei有you輸shu入ru反fan極ji性xing保bao護hu，襯chen底di和he集ji成cheng電dian路lu間jian的de寄ji生sheng二er極ji管guan將jiang成cheng為wei正zheng向xiang偏pian置zhi，造zao成cheng器qi件jian故gu障zhang或huo損sun壞huai。實shi現xian輸shu入ru反fan極ji性xing保bao護hu的de兩liang個ge基ji本ben解jie決jue方fang案an如ru圖tu2所(suo)示(shi)。第(di)一(yi)種(zhong)解(jie)決(jue)辦(ban)法(fa)是(shi)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)串(chuan)聯(lian)一(yi)隻(zhi)二(er)極(ji)管(guan)，以(yi)阻(zu)止(zhi)反(fan)向(xiang)電(dian)流(liu)。不(bu)過(guo)
，這(zhe)將(jiang)導(dao)致(zhi)功(gong)耗(hao)增(zeng)加(jia)。第(di)二(er)種(zhong)解(jie)決(jue)辦(ban)法(fa)是(shi)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)串(chuan)聯(lian)一(yi)隻(zhi)低(di)RDS（ON）的MOSFET,盡量減少功耗。

圖 2：電池熱耗散

安全性更高的電池充電器設計

圖 3 是常用鋰離子電池的充電示意圖。鋰離子電池充電包括三個階段：預充階段、快充恒流 （CC） 階段以及恒壓 （CV） 終止階段。在預充階段
，電池在低速率下充電。電池單元電壓低於 3.0 V shi，qichongdiansudutongchangshikuaisuchongdiansulvdeshifenzhiyi。dunhuacengzaishendufangdianzhuangtaixiachangqicunchuhoukenengrongjie，zheyangkeshiqizhujianhuifu。ciwai，bufentongfenjiechuxianzaiguofangdiandeyangjiduanludianchidanyuanshangshi
，yuchongdianhaikefangzhizai 1oC 充電速率（一個小時內就可使電池完全放電的電流）下出現過熱情況。

預充電安全定時器可避免長時間給電量耗盡的電池充電。一般說來
，電池單元電壓達到 3.0 V,充電器就會進入 CC 階段。快速充電電流通常限定在 0.5 至 1C 之間，以避免過熱導致電池加速退化。應選擇適當的速度，確保電池溫度不超過 45oC,然後在快充速率下進行電池充電
，直至電壓達到調節限度（對基於 LiCoO2 的陰極而言通常是每單元 4.2 V）。充電器開始調節電池電壓並進入 CV 階段，這時充電電流會呈指數地下降至預定終止水平
，結束電池充電。
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電池充電電壓的準確性對電池使用壽命及安全性都非常重要。更高的電池充電電壓可提高充電容量
，但是會縮短電池使用壽命，如圖 4 所示。對於容差為 ±2.5% 的電池充電電壓而言
，充電電壓可能會達到 4.3 V,這會導致熱耗散及安全性問題。為了避免電池高溫充電，提高安全性，充電器 IC 必須監控電池組的溫度。隻有當電池溫度在安全範圍內（通常是 0 到 45oC）時shi
，電dian池chi才cai能neng充chong電dian。電dian池chi組zu中zhong的de熱re敏min電dian阻zu通tong常chang用yong於yu這zhe一yi用yong途tu。此ci外wai，通tong常chang需xu要yao快kuai充chong安an全quan定ding時shi器qi來lai避bi免mian電dian量liang耗hao盡jin電dian池chi過guo長chang時shi間jian的de充chong電dian。一yi旦dan安an全quan時shi間jian一yi過guo，即ji便bian電dian池chi還hai沒mei有you達da到dao充chong電dian終zhong止zhi電dian流liu狀zhuang態tai，電dian池chi充chong電dian器qi也ye必bi須xu關guan閉bi。

高度集成的線性電池充電器廣泛用於單體鋰離子電池充電，因為其設計簡單、dichengbenyijixiaoxinghuayoushikechongfenmanzubianxieshishebeidexuqiu。qishejitiaozhanshizaibaochidianchichongdianqichuyuanquanwendugongzuofanweineidetongshi，haiyaoxiaochuhezuidaxiandudijianshaosuochanshengdereliang。zuixinkaifade
、具有熱調節功能的電池充電器可在最大限度提高充電速率並盡可能縮短充電時間的同時，解決上述散熱問題。

圖 3：鋰離子電池充電示意圖

圖 4：LiCoO2 陰極鋰離子電池的充電電壓和使用壽命之間的關係

線性充電器隻可將適配器的 DC 電壓降至 電池電壓水平。線性充電器的功耗計算如下：

     （等式 1）

當充電器從預充向快充模式轉變而功耗又達到最高時，輸入電壓與電池電壓之差就會很大。例如，如果用 5V 適配器為 1200mAh 鋰離子電池充電，當充電電流為 1A、電池電壓為 3.2V 時
，最大功耗就等於 1.8 W.采用 3′3 毫米 QFN 封裝
，熱阻抗為 47oC/W 時

，這種功耗會使溫度升高 85oC.接點溫度會超過所允許的最大工作溫度值（45oC 環境溫度下為 125oC）。yaoquebaolianghaodesanresheji
，zaichongdianqidongshishijiedianwendubaochizaianquanfanweinei
，zheshiyixiangnanduhendadegongzuo。chongdianguochengzhongsuizhedianchidianyadeshenggao，gonghaohuizhujianxiajiang。
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我們如何才能確保充電器運行在安全溫度工作範圍內，同時改進散熱設計呢

？bq2408x 與 bq2403x 等更多高級電池充電器引入了熱調節環路來避免充電器過熱。內部芯片溫度達到預設溫度閾值時
，比方說 110oC,任何進一步的 IC 溫度提升都會降低充電電流。這樣即可限製功耗，也可提升充電器的熱保護。導致 IC 接點溫度達到熱調節水平的最大功耗取決於 PCB 布局、散熱通路的數量以及環境溫度（見圖 5）。

rehuanlugongzuoshi，chongdiandianliuhuidadaochongdianzhongzhiyuzhi，zheyanghuidaozhichongdiandecuowuzhongzhi

，yinweiretiaojiegongnengtongchangshizaikuaichongdezaoqijieduanqidong。weilebimiancuowudechongdianzhongzhi
，zhiyaoretiaojiehuanluchuyugongzuozhuangtai
，jiuyaojinyongdianchichongdianzhongzhi。ciwai，youxiaochongdiandianliuyehuijiangdi。zhehuiyanchangdianchichongdianshijian。zheyang
，chongdiananquandingshiqikenenghuiyinweigudinganquandingshiqiercuowuzhongzhi。bq24085 采cai用yong可ke自zi動dong放fang慢man安an全quan定ding時shi器qi時shi鍾zhong頻pin率lv的de動dong態tai安an全quan定ding時shi器qi。動dong態tai定ding時shi器qi控kong製zhi電dian路lu可ke有you效xiao延yan長chang安an全quan定ding時shi器qi的de持chi續xu時shi間jian，從cong而er最zui大da限xian度du地di減jian少shao安an全quan定ding時shi器qi由you於yu熱re調tiao節jie所suo引yin起qi的de故gu障zhang幾ji率lv。

圖 5：bq24085 的典型應用電路

係統級充電前端 （CFE） 的安全設計

womenruhetigaoxitongjichongdiandeanquanxinghekekaoxing

？womenkecaiyongxuduobutongdeshipeiqiweibianxieshishebeigongdian，danbutongdezhizaoshangwangwangcaiyongbutongdedianqiguifan
，zhejiuweigoujianbianxieshishebeidexitongshejirenyuandailailejishutiaozhan，tamenzaishiyongbutongshipeiqishibixumanzugezhonganquanyaoqiu。jutijishutiaozhanbaokuoshuruguoya
、輸入過流

、電池過壓以及反向輸入電壓等

，這些問題都會造成係統損壞。

適配器熱插入
、適配器錯誤、瞬(shun)態(tai)或(huo)穩(wen)態(tai)過(guo)壓(ya)等(deng)問(wen)題(ti)都(dou)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)輸(shu)入(ru)過(guo)壓(ya)。適(shi)配(pei)器(qi)熱(re)插(cha)入(ru)時(shi)，線(xian)纜(lan)電(dian)感(gan)與(yu)係(xi)統(tong)輸(shu)入(ru)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)共(gong)振(zhen)會(hui)導(dao)致(zhi)過(guo)壓(ya)。對(dui)於(yu)獨(du)立(li)充(chong)電(dian)器(qi)而(er)言(yan)
，輸(shu)入(ru)過(guo)流(liu)可(ke)能(neng)不(bu)是(shi)什(shen)麼(me)問(wen)題(ti)
，因(yin)為(wei)恒(heng)定(ding)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)會(hui)限(xian)製(zhi)提(ti)供(gong)給(gei)輸(shu)出(chu)或(huo)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)流(liu)量(liang)。不(bu)過(guo)，就(jiu)輸(shu)入(ru)到(dao)係(xi)統(tong)有(you)直(zhi)接(jie)電(dian)源(yuan)路(lu)徑(jing)的(de) bq24070 等deng電dian源yuan路lu徑jing管guan理li電dian池chi充chong電dian器qi而er言yan
，在zai上shang拉la電dian流liu過guo大da時shi很hen難nan得de到dao保bao護hu。最zui近jin
，人ren們men擔dan心xin工gong作zuo適shi配pei器qi在zai電dian流liu限xian製zhi模mo式shi下xia可ke能neng出chu問wen題ti，希xi望wang可ke編bian程cheng輸shu入ru電dian流liu限xian製zhi電dian路lu能neng夠gou阻zu止zhi適shi配pei器qi進jin入ru該gai模mo式shi。鋰li離li子zi/鋰(li)聚(ju)合(he)物(wu)電(dian)池(chi)組(zu)如(ru)果(guo)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)充(chong)電(dian)過(guo)度(du)，可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)危(wei)險(xian)的(de)燃(ran)燒(shao)現(xian)象(xiang)。充(chong)電(dian)過(guo)度(du)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)標(biao)誌(zhi)就(jiu)是(shi)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)電(dian)壓(ya)升(sheng)高(gao)。越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)製(zhi)造(zao)商(shang)都(dou)在(zai)尋(xun)找(zhao)可(ke)確(que)保(bao)電(dian)池(chi)組(zu)安(an)全(quan)性(xing)與(yu)合(he)規(gui)性(xing)的(de)安(an)全(quan)措(cuo)施(shi)。要(yao)提(ti)高(gao)電(dian)池(chi)安(an)全(quan)性(xing)

，可(ke)添(tian)加(jia)二(er)級(ji)過(guo)壓(ya)保(bao)護(hu)來(lai)移(yi)除(chu)輸(shu)入(ru)電(dian)源(yuan)。在(zai)檢(jian)測(ce)電(dian)池(chi)過(guo)壓(ya)時(shi)關(guan)閉(bi) CFE 功率 MOSFET 就可完成這一操作。

圖 6 是典型係統級 CFE 電路的示意圖。高電壓保護 CFE 可將高輸入電壓與低壓充電器及係統相隔離，以便係統免受高壓侵害。這種 IC 集成所有安全特性
，包括輸入電流限製與保護、輸入電壓保護以及電池過壓保護等。無論出現何種故障情況
，CFE 都會關閉 MOSFET 實現適當保護，進而提高整體係統安全性。

圖 6：典型的係統級 CFE 電路

總結

過充分考慮電池特性
、充電器 IC 設計以及係統級安全注意事項設計安全性更高的電池充電係統非常重要。配合 CFE、電池充電器 IC 以及電池組的安全保護機製
，充電係統可進一步提升穩健的安全性能。CFE完全集成了輸入過壓

、輸入過流

、電池過壓和反向輸入極性保護，可以顯著提高電池供電係統的安全性。