为锂离子电池使用配置好安全技术
发布时间：2010-12-1 14:45
发布者：techshare
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锂离子电池是一种应用广泛的可充电电池，它具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长，可在较短时间内快速充足电以及允许放电温度范围宽等优点。此外，锂离子电池还有自放电电流小，无记忆效 应和无环境污染等优点。而随着锂离子电池的使用面的扩大，对锂离子电池的充放电保护就显得愈发重要。尤其是在有些应用中，较长的电池寿命、较多的充电次数或较安全的电池比电池容量更重要。这就是人们最关心的为锂离子电池使用配置好安全技术的关键。 本文就充放电过程的温度控制技术、电池充电电源短路保护与选择电池充电器以延长电池寿命等芯片应用的方案配置作介绍。 充放电过程的温度控制 为什么对充放电过程的温度控制也是许多设计者需要考虑的一个方面,即限制电池温度技术是延长电池寿命的重要因素?这是因为在高温的时候对锂离子电池充放电，会有爆炸的危险;在低温的时候充放电，会对电芯造成损害。而限制电池的极限温度可以延长电池寿命，尤其是禁止在0℃以下充电。在0℃以下充电促进金属在电池阳极上的镀数，这可能造成内部短路，产生热量并使电池不稳定和不安全。很多电池充电器都有测量电池温度的装置，以确保不会在极限温度时充电。 限制或控制电池温度技术应用举例 USB/交流适配器Li+电池充电器，带有0.05Ω断开开关。图1为用MAX8606实现保持安全的工作温度和持续不间断充电，温度调节功能可自动降低充电电流应用方案。  图1 用MAX8606实现保持安全的工作温度和持续不间断充电，温度调节功能可自动降低充电电流 MAX8606是带温度调节功能的线性Li+电池充电器，内部集成低RDS(oN)电池断开开关，可工作于USB端口或交流适配器。它满足USB的过流规范要求，挂起模式下仅吸取不到30μA的USB电流。与交流适配器连接时，内部功率FET支持高达1A的充电电流，可保证耐受高达14V的输入瞬态电压。即使在没有安装电池或者电池已深度放电的情况下，SYS输出配合电池断开开关，仍可通过USB或交流适配器输入给系统供电。为保持安全的工作温度和持续不间断充电，温度调节功能可自动降低充电电流。 其限制或控制电池温度技术是通过EN1与EN2引脚实现用户设置的挂起模式，l00mA，500mA和高达1A输入的限制。SET是充电电流监视器功能。 充电前也可给系统灵活供电,同时给电池充电和系统供电,无需外部阻断肖特基二极管、检流电阻或FET;低压差内部充电FET，0.5A时0.25V;高达1A的可编程快充电流;输入电流限制满足USB规范;电池充电和系统供电之间实现自动均流调节;先进的恒流、恒压和管芯恒温(CCCVCTJ)技术;超过6VIN的过压保护(最大14VIN)。 用MAX8808实现1A Li+恒压，恒流，温度调控的充电器方案。它具有高达15V的适配器输入，而MAX8808在微小的4mm2封装面积内集成了功率MOSFET、反向电流隔离二极管以及检流电阻，并且能在如此小尺寸的封装内进行快速、安全的充电。MAX8808可调节器件的温度、电流和电压，从而省掉了笨重的散热器，并解决了小型手持设备，例如蜂窝电话、PDA以及数码相机等在散热管理方面的顾虑。它的热调节技术降低了环境温升，提高了可靠性，并降低了因安全余量要求所造成的成本。为避免只经过粗略调整的廉价交流适配器对其造成损害。 MAX8808能够保证承受高达15V的瞬态输入，并具有内置的过压保护(OVP)电路，防止在故障情况下进行充电。 微型、热增强型TDFN封装(0.8mm高);专有的温度和CC-CV调节实现最安全和最快速的充电;0.5A电流下0.3V压降;高有效逻辑使能(MAX8088Y);省去预调理状态(MAX808Z)与软启动。 电池组保护电路 很多电池含有电池组保护电路，如果超过最高电池电压，该电路暂时断开电池连接。 用bq24314芯片实现安全保护-完整的锂离子充电器前端保护。 芯片bq24314具有集成功率FET;Vin极大值为30V;OCP可编程电流高达15A;电池OVP为4.35V;有故障指示特性。 该芯片提供针对三个变量的保护功能(图2)，即输入过压与输入过流及电池过压;30V极大输入电压;对于电流瞬态引起的错误触发有较高的抗扰度;热关断，即故障状态显示与目前上市的极小解决方案。bq24300与bq24314充电器前端电路产品系列，可为充电中的手持式设备提供系统保护。这款体积小巧的安全电路可提供三层保护功能，即辅人过压、辅人过流与电池过压保护状态。  图2 bq24314芯片应用示意图 带有输入电流限制和安全定时器的低成本SMBus充电器 图3是用MAX8731A实现带有输入电流限制和安全定时器的充电器方案图。高效率的MAX8731MdAⅪ535C能够为任何化学类型的电池充电。它可以限制输入电流，使从交流适配器吸出的电流不超出预定值，降低了交流适配器的尺寸和成本。输入电流限、电池浮充电压和充电电流限都可通过SMBus接口设定。它采用先进的同步buck调节器控制电路，最大占空比可超过99%，降低了最小输人到输出电压差。MAX8731A/MAⅪ535C能够为一、二、三或四节串联的Li/电池组充电，提供高达8A的充电电流。MAX8731A采用高边n沟道MOSFET，成本更低，效率更高。该器件同时提供监视交流适配器电流的输出信号。  图3 用MAX8731A实现带有输入电流限制和安全定时器的充电器方案图 避免电池与PWM充电电源短路 电池充电器受控于基带微处理器，如果微处理器停止运行可能造成电池过充、损坏电池。在图4所示充电电路中，如果基带微处理器闭锁时充电电源仍与电池相连，则有可能造成电池过充、损坏电池。为解决这一问题需在电路中添加一个监视器，对PWM输入信号进行监视。如果在规定的时间内检测不到PWM输入端信号，则切断电源与电池的连接。为保证电路的可靠性，保护电路应该独立工作、不受微处理器的制约，当PWM信号恢复时保护电路能够重新开启充电过程。 图4所示电路，利用MAX6321-HPUK30-CY带有看门狗功能的上电复位电路(IC1)监视PWM信号、控制MAX4514-CUK SPST模拟开关(IC2)的通断，保证在PWM信号消失时(微处理器停止运行)断开充电电源与电池的连接。图4中R4、D2和C1用于保护IC1和IC2，避免适配器电压过高时造成芯片损坏。由于附加电路的静态电流较低(30μA)，R4的选择并不严格，只要保证齐纳二极管的拐点电流(0.5mA)即可。当充电器电源断开时，保护电路没有任何供电电压，因而也不会消耗电池能量。  图4用MAX6321芯片监视PWM信号控制好电池的安全方案 图4实际上在是在防电池与充电电源短路的基本电路中添加IC1、IC2，当在处理器停止工作时提供电池保护。输出用于提供充电就绪指示，当输出高电平时，允许基带微处理器控制充电器工作，PWM信号通过Q1驱动控制Q2 (p沟道MOSFET)的通断。的漏极开路输出结构允许它连接到相同电源或不同电源供电的电路中。这样，不需要充电时可以将看门狗电路、PWM电路置于关断状态。 选择电池充电器以延长电池寿命 尽管电池充电器对电池的深度放电、放电电流和电池温度不加以控制，但是所有这些因素对电池寿命都有影响，很多充电器具有能够延长电池寿命的功能，而且有时可以极大地延长电池寿命。 电池充电器延长电池寿命的作用主要由充电器的浮动电压和充电终止方法决定。如凌力尔特公司的很多锂离子电池充电器具有4.2V+1%(或更低)的固定浮动电压，但是有一些产品为4.1V和4.0V以及具有可调浮动电压。一些具有较低浮动电压的电池充电器，用来给12V锂离子电池充电时可以延长电池寿命。 不提供较低浮动电压选项的电池充电器也能延长电池寿命。采用最小充电电流终止方法(C/10或C/x)的充电器通过选择以恰当的充电电流值终止充电周期，可以延长电池寿命。C/10终止大约仅将电池充电至其容量的92%，但是将提高周期 寿命。C/5终止可以将周期寿命延长一倍，但是电池充电量进一步降低至约为容量的85%。图5示出凌力尔特公司的几款充电器，分别采用C/10(10%电流门限)或C/x(可调电流门限)充电终止模式。 采用MSP430F1 2X2单片机对电池充电进行管理，见图5。  图5 用MSP430F1 2X2单片机对电池充电进行管理方案 LTC4088是一款面向便携式USB设备的自主型高效率电源管理器、理想二极管控制器和电池充电器。LTC4088的开关前端拓扑结构具有电源通路控制功能，该拓扑结构优化了USB端口的可用功率，旨在以极低的功耗进行电池的充电和应用设备的供电，同时缓解了空间受限的媒体播放器、数码相机、PDA、GPS装置和智能手机中的热管理问题。因此，该IC允许VOUT上的负载电流超过USB端口所吸收的电流，而不会超过USB负载规格限值。图6为LTC4088高效率电池充电器电路。  图6 为LTC4088高效率电池充电器电路示意图. LTC4088的全功能单节锂离子/锂聚合物电池充电器采用一种恒定电压、恒定电流拓扑结构，可提供1.2A的充电电流。Bat—Track操作可在电池充电器中保持低功耗，以实现最佳的充电时间和较少的发热量。“即时接通”型操作使得便携式产品能够在加电之后立即运行，而无需等待电池充电。此外，该充电器还具有热限制、自动再充电、采用自动充电终止和固定持续时间安全定时器的独立型操作、低电压涓流充电、失效电池组检测和一个用于实现合格温度充电的热敏电阻输入。该1C的额外功能包括一个用于系统微处理器电源轨的“始终接通”型3.3V，25mA LDO，以及一个用于防止当有一部设备与暂停USB端口相连时发生电池漏电的暂停LDO。 结语 除了上述为锂离子电池使用的配置好安全技术方案外，还有如采用部分放电的做法、避免充电至容量的100%、选择合适的充电终止方法、避免大的充电和放电电流，因为这会缩短周期寿命和避免低于2V或2.5V的深度放电等多种方法可选配。 |
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