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de1.4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".chanshengguochongdiandezhuyaoyuanyinshidianchidianyaguogao。weiletigaodianchideanquanxing
，xuduozhizaoshangdoujiaruleerjiguoyabaohuyizaijiancedaodianchidianyaguogaoshiyizoushurudianyuan。caiyongtongyonglianjieqishi
，yingzhuyifanjixingshipeiqishifoulianjiedaoshuru。ruomeiyoushurufanjixingbaohu

，chendihejichengdianlujiandejishengerjiguanjiangchengweizhengxiangpianzhi
，zaochengqijianguzhanghuosunhuai。shixianshurufanjixingbaohudelianggejibenjiejuefanganrutu2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 時(shi)，其(qi)充(chong)電(dian)速(su)度(du)通(tong)常(chang)是(shi)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)速(su)率(lv)的(de)十(shi)分(fen)之(zhi)一(yi)。鈍(dun)化(hua)層(ceng)在(zai)深(shen)度(du)放(fang)電(dian)狀(zhuang)態(tai)下(xia)長(chang)期(qi)存(cun)儲(chu)後(hou)可(ke)能(neng)溶(rong)解(jie)，這(zhe)樣(yang)可(ke)使(shi)其(qi)逐(zhu)漸(jian)恢(hui)複(fu)。此(ci)外(wai)，部(bu)分(fen)銅(tong)分(fen)解(jie)出(chu)現(xian)在(zai)過(guo)放(fang)電(dian)的(de)陽(yang)極(ji)短(duan)路(lu)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)上(shang)時(shi)，預(yu)充(chong)電(dian)還(hai)可(ke)防(fang)止(zhi)在(zai) 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）shi，dianchicainengchongdian。dianchizuzhongderemindianzutongchangyongyuzheyiyongtu。ciwai，tongchangxuyaokuaichonganquandingshiqilaibimiandianlianghaojindianchiguochangshijiandechongdian。yidananquanshijianyiguo，jibiandianchihaimeiyoudadaochongdianzhongzhidianliuzhuangtai
，dianchichongdianqiyebixuguanbi。

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
、低(di)成(cheng)本(ben)以(yi)及(ji)小(xiao)型(xing)化(hua)優(you)勢(shi)可(ke)充(chong)分(fen)滿(man)足(zu)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)的(de)需(xu)求(qiu)。其(qi)設(she)計(ji)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)在(zai)保(bao)持(chi)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)處(chu)於(yu)安(an)全(quan)溫(wen)度(du)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)同(tong)時(shi)，還(hai)要(yao)消(xiao)除(chu)和(he)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)。最(zui)新(xin)開(kai)發(fa)的(de)、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）。要(yao)確(que)保(bao)良(liang)好(hao)的(de)散(san)熱(re)設(she)計(ji)，在(zai)充(chong)電(dian)啟(qi)動(dong)時(shi)使(shi)接(jie)點(dian)溫(wen)度(du)保(bao)持(chi)在(zai)安(an)全(quan)範(fan)圍(wei)內(nei)，這(zhe)是(shi)一(yi)項(xiang)難(nan)度(du)很(hen)大(da)的(de)工(gong)作(zuo)。充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)隨(sui)著(zhe)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)的(de)升(sheng)高(gao)
，功(gong)耗(hao)會(hui)逐(zhu)漸(jian)下(xia)降(jiang)。
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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）。

熱re環huan路lu工gong作zuo時shi
，充chong電dian電dian流liu會hui達da到dao充chong電dian終zhong止zhi閾yu值zhi，這zhe樣yang會hui導dao致zhi充chong電dian的de錯cuo誤wu終zhong止zhi，因yin為wei熱re調tiao節jie功gong能neng通tong常chang是shi在zai快kuai充chong的de早zao期qi階jie段duan啟qi動dong。為wei了le避bi免mian錯cuo誤wu的de充chong電dian終zhong止zhi，隻zhi要yao熱re調tiao節jie環huan路lu處chu於yu工gong作zuo狀zhuang態tai，就jiu要yao禁jin用yong電dian池chi充chong電dian終zhong止zhi。此ci外wai
，有you效xiao充chong電dian電dian流liu也ye會hui降jiang低di。這zhe會hui延yan長chang電dian池chi充chong電dian時shi間jian。這zhe樣yang，充chong電dian安an全quan定ding時shi器qi可ke能neng會hui因yin為wei固gu定ding安an全quan定ding時shi器qi而er錯cuo誤wu終zhong止zhi。bq24085 caiyongkezidongfangmananquandingshiqishizhongpinlvdedongtaianquandingshiqi。dongtaidingshiqikongzhidianlukeyouxiaoyanchanganquandingshiqidechixushijian，congerzuidaxiandudijianshaoanquandingshiqiyouyuretiaojiesuoyinqideguzhangjilv。

圖 5：bq24085 的典型應用電路

係統級充電前端 （CFE） 的安全設計

我(wo)們(men)如(ru)何(he)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)級(ji)充(chong)電(dian)的(de)安(an)全(quan)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)？我(wo)們(men)可(ke)采(cai)用(yong)許(xu)多(duo)不(bu)同(tong)的(de)適(shi)配(pei)器(qi)為(wei)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)供(gong)電(dian)，但(dan)不(bu)同(tong)的(de)製(zhi)造(zao)商(shang)往(wang)往(wang)采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)氣(qi)規(gui)範(fan)，這(zhe)就(jiu)為(wei)構(gou)建(jian)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)的(de)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)帶(dai)來(lai)了(le)技(ji)術(shu)挑(tiao)戰(zhan)，他(ta)們(men)在(zai)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)適(shi)配(pei)器(qi)時(shi)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)各(ge)種(zhong)安(an)全(quan)要(yao)求(qiu)。具(ju)體(ti)技(ji)術(shu)挑(tiao)戰(zhan)包(bao)括(kuo)輸(shu)入(ru)過(guo)壓(ya)

、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 dengdianyuanlujingguanlidianchichongdianqieryan，zaishangladianliuguodashihennandedaobaohu。zuijin，renmendanxingongzuoshipeiqizaidianliuxianzhimoshixiakenengchuwenti
，xiwangkebianchengshurudianliuxianzhidianlunenggouzuzhishipeiqijinrugaimoshi。lilizi/lijuhewudianchizuruguozaigaowenxiachongdianguodu
，kenenghuichuxianweixianderanshaoxianxiang。chongdianguodudeyigezhongyaobiaozhijiushidianchidanyuandianyashenggao。yuelaiyueduodezhizaoshangdouzaixunzhaokequebaodianchizuanquanxingyuheguixingdeanquancuoshi。yaotigaodianchianquanxing
，ketianjiaerjiguoyabaohulaiyichushurudianyuan。zaijiancedianchiguoyashiguanbi 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。