遠離爆炸，教你“幾板斧”搞定手機充電器充放電安全

　　手機的鋰離子電池充電安全性日益受到消費者重視，因此充電器制造商在設計產(chǎn)品時(shí)，須掌握鋰離子電池的相關(guān)規格和特性，并使用具備完善電池檢測及保護功能的充電晶片，以降低過(guò)電流、過(guò)電壓或過(guò)溫等狀況所造成的危險。

　　隨著(zhù)科技進(jìn)步、生活品質(zhì)提升，電子產(chǎn)品的蹤跡到處可見(jiàn)，其中又以手機為人類(lèi)生活中不可或缺的必需品。不論是早期黑金剛手機或現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，但現在使用鎳氫、鎳鎘電池來(lái)做為電源的手機，已經(jīng)是非常的少見(jiàn)，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(shí)間更長(cháng)，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(jià)格以及替代電池取得的便利性?xún)?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，所以現今標榜著(zhù)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、螢幕耗電量大，更是需要電池容量大及電力更耐久的鋰離子電池。當手機電池電量不足時(shí)，使用者通常會(huì )以充電器或搭配一組行動(dòng)電源隨時(shí)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(lèi)：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(diǎn)看來(lái)，鎳鎘、鎳氫及鋰離子電池較適合使用在電子產(chǎn)品上；而鋰離子電池無(wú)論是在體積、重量及容量（電子產(chǎn)品的使用時(shí)間）較優(yōu)于鎳鎘、鎳氫電池，也無(wú)記憶效應的問(wèn)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(cháng)使用壽命　鋰離子電池充/放電壓成關(guān)鍵

　　一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池會(huì )有電性安全的范圍限制。由于鋰離子電池的特性，當電池電壓在充電時(shí)上升到最高設定電壓后，要立即停止充電，避免電池因過(guò)充電造成電池損毀而產(chǎn)生危險；電池供電（放電）時(shí)，電池電壓如果降至最低設定電壓以下便要停止放電，避免因過(guò)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，以避免發(fā)生危險；即使大多數的鋰離子電池都有加裝保護電路，然而在選擇優(yōu)質(zhì)的充電器或行動(dòng)電源時(shí)，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備，而鋰離子電池充電器必須具備以下幾點(diǎn)特性：

　?。商峁┕潭娏鹘o充電電池

　　當電池電壓到達最大值且不再上升時(shí)，其充電電流便會(huì )開(kāi)始下降，如此可避免對電池過(guò)度充電，造成電池損傷；當充電電流降至一定程度時(shí)，充電器將停止充電。

　?。_保電池具備可使用電壓

　　電池在充電完成后，若長(cháng)時(shí)間放置不使用會(huì )有自然放電的情形出現，為避免電池過(guò)度自放電導致電池電壓下降，當電池電壓低于所設定電壓時(shí)，充電器會(huì )重新開(kāi)始對電池充電，確保電池在使用時(shí)還能維持一定電壓。

　　四階段充電簡(jiǎn)述

　　以下使用沛亨半導體的充電積體電路（IC）--AIC6511做鋰離子電池充電簡(jiǎn)介，圖1為鋰離子電池充電曲線(xiàn)圖：

　　圖1　鋰離子電池充電曲線(xiàn)圖

　?。甌rickle Charge or Pre-Charge

　　此時(shí)的鋰離子電池電壓小于3伏特（V），當充電器開(kāi)始對電池充電時(shí)，因鋰離子電池的特性，其內部阻抗會(huì )很大，故充電器會(huì )先以一微小電流對電池進(jìn)行充電，此時(shí)電池電壓持續上升。

　?。娏鞒潆姡–onstant Current Charge， CC Charge）

　　當電池充電電壓上升至約3伏特時(shí)，充電器改以最大充電電流對電池進(jìn)行定電流充電，此時(shí)電池電壓持續上升。

　?。妷撼潆姡–onstant Voltage Charge， CV Charge）

　　當電池充電電壓上升至接近鋰離子電池的飽和點(diǎn)電壓約4.2伏特時(shí)，充電器改以定電壓模式對電池進(jìn)行充電，此時(shí)充電電流開(kāi)始下降。

　?。瓹harge Full

　　當充電電流降至微小電流時(shí)，充電器停止對電池充電。

　　電池在充電完成后，若長(cháng)時(shí)間放置不使用會(huì )有自然放電的情形出現，為避免電池過(guò)度放電導致電池電壓下降，電源IC在鋰離子電池電壓降至4伏特時(shí)，會(huì )重新開(kāi)始對電池進(jìn)行CC Charge模式充電，確保電池在使用時(shí)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(shí)充電器會(huì )先以微弱電流對電池進(jìn)行Pre-Charge充電（各家廠(chǎng)商設定值不同，本文使用范例的充電IC設定值約為10%的最大充電電流），充電時(shí)電池電壓上升。

　　當電池電壓上升至約3伏特，充電器改以最大充電電流對電池進(jìn)行CC Charge，電池電壓持續上升。

　　當電池充電電壓上升至接近鋰離子電池的飽和點(diǎn)電壓約4.2伏特時(shí)，充電器改以CV Charge對電池進(jìn)行充電，此時(shí)充電電流開(kāi)始下降，當充電電流降至約等于Pre-Charge電流時(shí)，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電源轉換器（Adapter）輸入電源對電池充電，當電池開(kāi)始充電后，若充電時(shí)間超過(guò)其設定時(shí)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(guò)IC的充電計時(shí)保護功能使充電器停止對電池充電。

　　充電計時(shí)保護確保電池安全

　　圖2為本文范例充電IC的腳位示意圖，充電計時(shí)保護時(shí)間由IC外部TMR腳位（Pin 15）的電容CTMR設定，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(shí)間已超過(guò)使用者所設定的充電計時(shí)保護時(shí)間，但充電器卻仍尚未脫離當前的充電狀態(tài)或結束充電，這時(shí)IC的充電計時(shí)保護功能就會(huì )立即啟動(dòng)，迫使充電器停止對電池充電（圖3），此時(shí)的STAT1（Pin 12）位準為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(shí)保護功能。

　　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?！?/p>

　　當輸入電源重置、EN訊號觸發(fā)時(shí)，皆能解除充電計時(shí)保護時(shí)間，使其重新計時(shí)。

　　充電指示狀態(tài)

　　圖4中，STAT1（Pin 12）及STAT2（Pin 13）內部為兩個(gè)Open-Drain的N型金屬氧化物半導體（NMOS）開(kāi)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(dòng)作情形如表2所示。

　　圖4　AIC6511典型應用電路

　　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(shí)接上AC Adapter及USB電源，IC內部開(kāi)關(guān)會(huì )優(yōu)先選擇AC Adapter端做為充電器的輸入電源；然而，應避免此情況發(fā)生。

　?。瓵CIN

　　圖4中供一般插座之Adapter電源于VIN腳位（Pin 2）輸入，在A(yíng)CIN充電模式下，能以高達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電阻設定。

　?。甎SBIN

　　USBIN腳位（Pin 5）供USB電源輸入。在選擇USBIN充電模式時(shí)，其輸入限制電流由RILIM電阻設定，設定500毫安培（mA）適用于USB 2.0，900毫安培適用于USB 3.0。

　　當使用USBIN模式時(shí)，CC Charge電流會(huì )隨不同輸入電壓和電池電壓變動(dòng)，藉由偵測在CC Charge時(shí)流經(jīng)RS1電阻的電流來(lái)調節其固定輸入限制電流IUSB_LIM。在充電過(guò)程中，若將AC Adapter及USB電源移除，IC內部開(kāi)關(guān)皆會(huì )截止并啟動(dòng)防倒灌保護功能，防止電池漏電流逆向倒灌回輸入電源端。

　　充電電流設定

　　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，其充電電流設定如下：

　?。瓵CIN充電電流：

　　透過(guò)圖4中RS1電阻可設定高達2安培的最大充電電流（Maximum Charge Current）。

　　NTC熱敏電阻維持電池溫度安全

　　負溫度系數（Negative Temperature Coefficient， NTC）熱敏電阻的阻值與溫度成反比，會(huì )因高溫遞減、低溫遞增，且溫度系數非常大，可用于檢測微小的溫度變化，因而被廣泛的應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(guò)圖4中NTC腳位（Pin 14）偵測NTC熱敏電阻的電壓，充電IC能持續偵測電池的溫度，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(guò)正常操作溫度范圍，會(huì )立即關(guān)閉內部的同步降壓器并停止充電動(dòng)作；當電池溫度回復至正常溫度范圍時(shí)，充電器將重新恢復充電動(dòng)作。

　　RT1及RT2選用12千歐姆和5千歐姆，即可完成NTC保護功能。

　　若在NTC腳位（Pin 14）輸入介于NTC高低限電壓位準范圍內的固定電壓時(shí)，可使電池溫度偵測功能除能。

選用合適充電IC 過(guò)溫度保護防止充電過(guò)熱#e#

　　過(guò)溫度保護防止充電過(guò)熱

　　過(guò)溫度保護（Thermal Shutdown Protection）可避免IC在充電時(shí)發(fā)生過(guò)熱情形。

　　此功能透過(guò)監測充電IC的接面溫度（Junction Temperature， TJ），一旦發(fā)現TJ的溫度已達到過(guò)溫度點(diǎn)（Thermal Shutdown Threshold， TSHTDWN）約150℃左右時(shí)，IC便會(huì )立即關(guān)閉充電器，使其停止充電；待TJ溫度降至約130℃時(shí)，IC才會(huì )重新啟動(dòng)。

　　選用合適充電IC　鋰離子電池充電器更穩定

　　本文范例IC為開(kāi)關(guān)切換式鋰離子電池充電器，內部為同步降壓型轉換器架構，不須加裝額外的開(kāi)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，并具備充電保護功能。

　　由于鋰離子電池的電氣特性較鎳氫、鎳鎘電池穩定，在設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)規格、再依需求選擇合適的充電IC（圖6），就能輕松地設計一個(gè)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?！　?br />