整合式CFE防護提高充電系統層級安全性

　　使用高度整合式線(xiàn)性電池充電器為單顆鋰電池充電相當普遍，因為這類(lèi)充電器符合可攜式裝置的設計簡(jiǎn)化、低成本及小體積尺寸等需求。其中的設計難題，在于使電池充電器維持在安全溫度運作范圍內，同時(shí)盡可能降低產(chǎn)生的熱量。最新開(kāi)發(fā)的電池充電器具備散熱調節功能，能夠達到最高的充電速率，并且盡可能縮短充電時(shí)間，同時(shí)解決散熱問(wèn)題。

　　線(xiàn)性充電器只是將轉接器的DC電壓調降至電池電壓的程度。線(xiàn)性充電器的功耗計算如下：

　　充電器從預先充電轉換為快速充電模式，且達最高功耗時(shí)，輸入電壓與電池電壓間的差異便相當大。例如，若使用5伏特轉接器為1,200毫安培小時(shí)(mAh)鋰電池充電，當充電電流為1安培(A)且電池電壓為3.2伏特時(shí)，最大功耗即為1.8瓦(W)。對于熱阻抗為47℃/瓦的3毫米×3毫米四方形平面無(wú)接腳封裝(QFN)，功耗會(huì )造成溫度升高85℃。接點(diǎn)溫度會(huì )超過(guò)允許的操作溫度上限(45℃環(huán)境溫度下為125℃)。確保良好的散熱設計在開(kāi)始充電時(shí)，將接點(diǎn)溫度維持在安全范圍內，是一項相當困難的工作。在充電過(guò)程中，隨著(zhù)電池電壓升高，功耗也會(huì )逐漸下降。

　　散熱調節回路可避免充電器過(guò)熱

　　如何確保充電器維持在安全溫度運作范圍內，并提升散熱設計是一大挑戰，較進(jìn)階的電池充電器采用散熱調節回路避免充電器過(guò)熱。內部晶片溫度達到預先定義的溫度臨界值時(shí)，如110℃，后續的IC溫度提高，都會(huì )減少充電電流，如此即可限制功耗，提升充電器的過(guò)熱防護。導致IC接點(diǎn)溫度達散熱調節程度的最大功耗，取決于印刷電路板(PCB)配置、散熱通孔數及環(huán)境溫度(圖5)。

　　圖5 電池充電器的一般應用電路

　　散熱回路運作時(shí)，充電電流會(huì )達到充電終止臨界值，這會(huì )導致錯誤終止充電，因為散熱調節功能通常是在快速充電的早期階段啟動(dòng)。為避免錯誤終止充電，只要散熱調節回路處于運作狀態(tài)，就不會(huì )使電池充電終止。此外，有效充電電流也會(huì )減少，使電池充電時(shí)間增加，因此，固定式安全計時(shí)器可能導致充電安全計時(shí)器錯誤終止。先進(jìn)的電池充電器采用可自動(dòng)減速時(shí)脈頻率的動(dòng)態(tài)安全計時(shí)器，動(dòng)態(tài)計時(shí)器控制電路可有效延長(cháng)安全計時(shí)器持續時(shí)間，大幅降低安全計時(shí)器因散熱調節引起的故障機率。

　　加入第二層過(guò)壓防護提高電池安全性

　　如何才能提高系統層級充電的安全性和可靠性呢?一般可采用許多不同的轉接器為可攜式裝置供電，但不同的制造商往往采用不同的電流規格，使得可攜式裝置的系統設計人員必須克服技術(shù)難題，在使用不同轉接器時(shí)滿(mǎn)足各種安全要求，其中的困難包括輸入過(guò)壓、輸入過(guò)流、電池過(guò)壓及反向輸入電壓，這些都會(huì )造成系統損壞。

　　轉接器熱插拔、轉接器錯誤、暫態(tài)或穩定狀態(tài)過(guò)壓等問(wèn)題，都可能導致輸入過(guò)壓。當轉接器熱插入時(shí)，纜線(xiàn)電感與系統輸入解耦合電容之間的諧振會(huì )導致過(guò)壓。對于獨立式充電器而言，輸入過(guò)流可能不會(huì )造成問(wèn)題，因為穩定電流模式會(huì )限制供應給輸出或電池的電流量。不過(guò)，對于系統輸入有直接電源路徑的先進(jìn)電池充電器而言，在輸入過(guò)多電流時(shí)通常沒(méi)有任何防護。

　　長(cháng)期以來(lái)，設計人員對于轉接器在電流限制模式下運作有些顧慮，希望可程式輸入電流限制電路能確保轉接器不進(jìn)入此模式。鋰離子/鋰聚合物電池組在高溫下過(guò)度充電，可能會(huì )發(fā)生危險的燃燒狀況。過(guò)度充電的跡象就是電池電壓升高。愈來(lái)愈多制造商都在尋找可確保電池組安全性與規范的安全措施，若要提高電池安全性，可加入第二層過(guò)壓防護移除輸入電源，在偵測電池過(guò)壓時(shí)關(guān)閉CFE功率金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)即可。

　　圖6顯示一般系統層級CFE電路。高電壓防護CFE可將高輸入電壓與低壓充電器及系統相隔離，以免系統出現高電壓。整合所有安全功能，包括輸入電流限制與防護、輸入電壓防護及電池過(guò)壓防護。無(wú)論出現何種故障狀況，CFE都會(huì )關(guān)閉MOSFET進(jìn)行適當防護，以提升整體系統安全性。

　　圖6 一般的系統層級CFE電路

　　依據電池特性、充電器IC設計，以及系統層級安全考量，對設計更安全的電池充電系統相當重要，運用CFE、電池充電器IC及電池組的安全防護機制，充電系統可發(fā)揮更穩定的安全效能。完全整合式CFE可提高充電系統層級安全性，而更安全的電池充電器設計可延長(cháng)電池使用壽命，并避免過(guò)度充電的危險。