借用整合式CFE防护提高充电系统层级安全性 - 全文

　　由于锂电池同时具有重量和体积的高能量密度特性，锂电池已广泛用于可携式装置，但是锂电池对于过度充电及过热极为敏感，两种情形皆可能导致热失控及电池爆裂。如何设计安全的电池充电系统，已成为充电电池供电的装置重大考量因素之一，本文将探讨锂电池安全性、充电电池设计、安全监控，以及充电系统安全性等主要系统设计考量。

　　电池充电器IC角色关键

　　图1显示一般的电池充电系统，该系统输入可以是交流电（AC）墙式转接器供应的直流电（DC）电源，或通用序列汇流排（USB）介面供应的DC电源。一般的电池充电系统包括充电前端（CFE）、电池充电器及电池组。CFE防护积体电路（IC）整合输入过压、过流及电池过压等防护机制，能够提高电池供电系统的安全性。电池充电器IC可调节电池充电电压及电流，并监控电池温度，以延长电池使用寿命，并提高安全性。了解锂电池特性，对于设计更安全的充电系统而言相当重要。

　　图1 一般的电池充电系统

　　锂电池安全性不可忽视

　　由于锂电池採用活性极高的材料，因此必须注意运作温度过高会加速电池衰减，导致热失控，甚至使锂电池爆裂的问题。如果电池在高电流下过度充电或发生短路，就会出现快速升温的现象。

　　锂电池过度充电时，活性金属锂就会沉积在正极上，这种材料会大幅提高火灾发生机率，因为只要接触电解液和负极材料就会爆裂。例如，锂/碳嵌入化合物遇水会发生化学反应，而反应产生的高温可点燃释放的氢气。

　　对于4.3伏特（V）电池电压而言，氧化锂钴（LiCoO2）等负极材料在温度超过热失控临界值175℃时，就会与电解液发生反应（图2）。锂电池採用聚烯烃（Polyolefin）等多微孔薄膜（Micro-porous Film）将正负电极加以电隔离。这些电极可达到绝佳的机械属性与化学稳定性，且价格合理。聚烯烃的熔点较低，介于135～165℃之间，可作为温度保险丝。随着温度接近聚合物的熔点，便不再具有渗透性（Porosity），在锂离子不再于电极之间流动时关闭电池。

　　图2 电池热失控

　　此外，正向温度係数（PTC）装置和安全出口（Vent）能提供额外防护，一般而言，负极终端外壳通常採用镀镍钢铁。外壳封闭后，金属粒子会污染电池内部。这些粒子会随着时间进入分离器，导致电池正负极两侧之间的绝缘层衰减，这会造成正负极之间的微小短路，使电子自由流动，最终导致电池故障。这种故障通常只会导致电池电量耗尽，无法正常运作。在极罕见情况下，电池会出现过热、融化、起火甚至爆裂等现象。

　　安全电池充电器设计三部曲

　　图3显示常用的锂电池充电配置，锂电池充电包括叁个阶段，首先是预先充电，接着是快速充电稳定电流（CC），最后是稳定电压（CV）。在预先充电中，电池以低速率充电。电池电压低于3.0伏特时，充电速率通常是快速充电速率的十分之一。钝化层在深度放电状态下，长期沉积后可能溶解，便可逐渐恢復。此外，过度放电的阳极短路电池上出现部分铜分解时，预先充电可防止在1℃充电速率（可在1个小时内使电池完全放电的电流）下出现过热状况。

　　图3 锂电池充电配置

　　预先充电安全计时器，可避免电量耗尽的电池长时间充电。一般而言，电池电压达到3.0伏特，充电器就会进入CC阶段。快速充电电流通常限定在0.5～1℃之间，以避免过热导致电池加速衰减。速率必须慎选，确保电池温度不超过45℃，以快速充电速率进行电池充电，直至电压达到调节限度（对于LiCoO2的阴极通常是每颗电池4.2伏特）为止。充电器开始调节电池电压并进入CV阶段，此时充电电流会等比下降至预先定义的终止程度，结束电池充电。

　　对于电池使用寿命及安全性而言，电池充电电压的準确性相当重要。更高的电池充电电压可提高充电容量，但是会缩短电池使用寿命，如图4所示。对于±2.5%容差的电池充电电压而言，充电电压可能会达到4.3伏特，这会导致热失控及安全性问题。为避免电池高温充电，并提高安全性，充电器IC必须监控电池组的温度。只有在电池温度维持在安全範围内（0～45℃）时，电池才能充电，电池组通常会利用电热调节器让温度达到安全範围。此外，通常须要快速充电安全计时器，避免电量耗尽的电池长时间充电。一旦经过安全时间，即便电池未达到充电终止电流状态，电池充电器也必须结束充电。

　　图4 LiCoO2阴极锂电池的充电电压与使用寿命之间的关係

　　使用高度整合式线性电池充电器为单颗锂电池充电相当普遍，因为这类充电器符合可携式装置的设计简化、低成本及小体积尺寸等需求。其中的设计难题，在于使电池充电器维持在安全温度运作範围内，同时尽可能降低产生的热量。最新开发的电池充电器具备散热调节功能，能够达到最高的充电速率，并且尽可能缩短充电时间，同时解决散热问题。

　　线性充电器只是将转接器的DC电压调降至电池电压的程度。线性充电器的功耗计算如下：

　　充电器从预先充电转换为快速充电模式，且达最高功耗时，输入电压与电池电压间的差异便相当大。例如，若使用5伏特转接器为1，200毫安培小时（mAh）锂电池充电，当充电电流为1安培（A）且电池电压为3.2伏特时，最大功耗即为1.8瓦（W）。对于热阻抗为47℃/瓦的3毫米×3毫米四方形平面无接脚封装（QFN），功耗会造成温度升高85℃。接点温度会超过允许的操作温度上限（45℃环境温度下为125℃）。确保良好的散热设计在开始充电时，将接点温度维持在安全範围内，是一项相当困难的工作。在充电过程中，随着电池电压升高，功耗也会逐渐下降。

　　散热调节迴路可避免充电器过热

　　如何确保充电器维持在安全温度运作範围内，并提升散热设计是一大挑战，较进阶的电池充电器採用散热调节迴路避免充电器过热。内部晶片温度达到预先定义的温度临界值时，如110℃，后续的IC温度提高，都会减少充电电流，如此即可限制功耗，提升充电器的过热防护。导致IC接点温度达散热调节程度的最大功耗，取决于印刷电路板（PCB）配置、散热通孔数及环境温度（图5）。

　　图5 电池充电器的一般应用电路

　　散热迴路运作时，充电电流会达到充电终止临界值，这会导致错误终止充电，因为散热调节功能通常是在快速充电的早期阶段启动。为避免错误终止充电，只要散热调节迴路处于运作状态，就不会使电池充电终止。此外，有效充电电流也会减少，使电池充电时间增加，因此，固定式安全计时器可能导致充电安全计时器错误终止。先进的电池充电器採用可自动减速时脉频率的动态安全计时器，动态计时器控制电路可有效延长安全计时器持续时间，大幅降低安全计时器因散热调节引起的故障机率。

　　加入第二层过压防护提高电池安全性

　　如何才能提高系统层级充电的安全性和可靠性呢？一般可採用许多不同的转接器为可携式装置供电，但不同的製造商往往採用不同的电流规格，使得可携式装置的系统设计人员必须克服技术难题，在使用不同转接器时满足各种安全要求，其中的困难包括输入过压、输入过流、电池过压及反向输入电压，这些都会造成系统损坏。

　　转接器热插拔、转接器错误、暂态或稳定状态过压等问题，都可能导致输入过压。当转接器热插入时，缆线电感与系统输入解耦合电容之间的谐振会导致过压。对于独立式充电器而言，输入过流可能不会造成问题，因为稳定电流模式会限制供应给输出或电池的电流量。不过，对于系统输入有直接电源路径的先进电池充电器而言，在输入过多电流时通常没有任何防护。

　　长期以来，设计人员对于转接器在电流限制模式下运作有些顾虑，希望可程式输入电流限制电路能确保转接器不进入此模式。锂离子/锂聚合物电池组在高温下过度充电，可能会发生危险的燃烧状况。过度充电的迹象就是电池电压升高。愈来愈多製造商都在寻找可确保电池组安全性与规範的安全措施，若要提高电池安全性，可加入第二层过压防护移除输入电源，在侦测电池过压时关闭CFE功率金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）即可。

　　图6显示一般系统层级CFE电路。高电压防护CFE可将高输入电压与低压充电器及系统相隔离，以免系统出现高电压。整合所有安全功能，包括输入电流限制与防护、输入电压防护及电池过压防护。无论出现何种故障状况，CFE都会关闭MOSFET进行适当防护，以提升整体系统安全性。