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电源管理
先进的锂离子电池系统充电管理和保护
录入时间:2011-3-2 13:00:49

许多便携式设备选择锂离子 (Li-Ion) 化学电池作为其电池技术已经变得十分普遍。在要求的充电算法方面,这种化学电池已为人们所熟知,市场上有许多充电管理集成电路 (IC),而其颇具竞争力的低成本又推动它在更多应用中的使用。现在,电源、充电 IC 产品和系统架构种类繁多,工程师们忙于挑选出合适的充电和充电保护拓扑结构。本文介绍了获得最大安全性、可靠性和系统性能的一些重要的系统保护方法和先进充电管理。

 过压和过电流保护的诸多挑战

 诸如移动电话、媒体播放器或 GPS 系统的便携式终端设备通常都带有一个已知电源电压和电流特性的专用电源,且一般都具有一个专用插头。这样做的目的是避免消费者使用非许可电源或反向连接电源。今天,在更高能效需求的推动下,消费者和标准组织都要求通用电源接口,旨在让不同厂商的终端设备都能够使用标准化的 AC/DC 适配器或 USB 连接。

 这给电源设计工程师带来了一个巨大的挑战,因为现在消费者控制着插入设备的电源。现在,要求在充电器电路前面增加保护电路来保护系统免受过电压和过电流情况的损坏,同时避免对终端设备带来严重的破坏。更重要的是,它要消除可能会给终端用户带来危险的安全风险。由于这种保护电路需要防止“大量未知情况”的发生,因此它必须在保证设备在规定限制范围内得到充电的同时,还要包括各种输入电源状态。一些实际应用情况的例子是符合中国通用标准充电器规范的 USB 充电,以及通过低成本、未调节墙上电源进行的充电。这些都可能会出现 10V 以上的临时开路电压,而且要求充电管理系统仍然充电至该阈值。这就给输入和输出保护电路提出了许多具体的要求。

 在较高的电路板空间和成本限制条件下,保护解决方案的输入需要经受尽可能高的电压。它要在规定操作环境下通过电能,并在预计过压保护阈值 (OVP) 以上阻挡电能,同时不损坏设备。在解决方案的最大绝对额定值以上,它需要中断“开路”来避免潜在有害过电流进入系统。不管是电池供电还是直接由 AC 适配器供电,输出都必须保证电压电平不超出子系统的规范。通常,诸如电压保护和处理的子系统均不能承受使用对过压敏感的高性价、低压工艺技术所带来的高压输入瞬态。

 从安全性和符合规范的角度来看,过电流保护和电流限制可能都是值得的,其目的是不超出上电时的浪涌电流极限或不超过最大 USB 电流规范。

 1 描述了一个单节锂离子电池系统中充电器子系统输入保护的两种情况。在情况 A 中,充电功能主要由集成于一个低压电源管理单元的软件控制充电电路来实现。其通常为无线手持设备、GPS 导航系统或蓝牙耳机的高集成芯片组的组成部分。这种情况下,一个单独的过压和过电流保护 IC 对于增加必要的保护功能是非常有意义的。

 在情况 B 中,充电功能由一个专用独立充电器 IC 来实现,它对电池充电和动态电源路径控制进行管理,以保证系统正常工作——即使是使用有缺陷、完全放电的电池组或电池组被去掉的情况下。为了最少化充电控制相关软件的开发工作,系统工程师可能会选择这种配置。此外,设计人员可能还想要保护系统,以免受锁定微控制器带来的多余、潜在非安全充电行为的损害。在这种应用情况下,在充电器IC中集成过电压保护和电流限制功能是有很合理的。

 1 输入保护和充电管理的系统拓扑

 情况 A:模拟基带的系统保护

在模拟基带所需集成度和成本水平给定的情况下,通常使用基于 CMOS 技术的 IC 工艺,其电压承受范围为 4.5 到 6 伏特 (V)。更低的半导体工艺电压一般意味着片上电源组件更高的数字密度和更小的硅芯片尺寸,例如:晶体管和二极管。这便带来更小的裸片尺寸和封装,从而获得更低的总系统成本。但是,其通常还伴随着更高的过压敏感度,从而产生电气过应力。

 这就是说,保护解决方案的输出必须保证在任何输入环境下都不超出这个电平,包括静态 DC 操作电平和瞬态条件。理想情况下,它调节输出到某个预设限制,同时在没有损坏的情况下接受一个宽输入范围。在情况 A 中,假设基带 IC 和其他子系统组件可以承受约 6V 的绝对最大电压,例如:线性稳压器 (LDO) 和 DC/DC 开关式电源转换器等。因此,保护 IC 的输出被调节到额定 5.5V,以容许瞬态响应时间带来的调节容差。

 该保护电路输入兼顾 “正常使用”环境、充电时正常操作期间出现的可承受瞬态条件,以及系统需要彻底保护的异常瞬态。

 通过 USB 电源充电在当今十分流行,其中,USB 2.0 规范规定额定 VBUS 工作电压为 5V,最小电压为 4.75V,而最大电压为 5.25V。这些电源可能是符合 USB 规范的电脑 USB 端口或 USB 集线器。但是,它们也可以从一个调节过的 AC/DC 墙上适配器获得电源,其“模仿”USB 端口的电源行为。这里的正常使用环境是指 5V 额定电压。但是,新兴的中国通用标准充电适配器规范打算简化 USB 端口和适配器供电终端设备的电源使用,其要求在高达 6V 的 VBUS 电源瞬态期间也要不间断充电,而该电压超出了模拟基带的额定电压,并且会导致损坏。就这类应用而言,建议使用 5.85V 的输入 OVP 电平,超出该电平保护电路便会切断系统的电源。如果在该输入 OVP 阈值以下,输出就会被调节到安全的 5.5V。这就是说,达到 OVP 电平的运行是理想的,并被视作可接受的瞬态环境。OVP 电平以上的瞬态环境被视作异常,需要对系统进行隔离。假设系统工作在保护模式下。一流的集成保护电路可以承受高达 30V 的过压,并能从这种状态下恢复正常。超出这一电平时,可增加如齐纳二级管等附加电路来对 30V 电平以上的 OVP IC 进行保护。

 在未稳压、低成本 AC/DC 墙上适配器的应用情况中,负载条件下额定适配器电压可能规定为 5V。但是,由于这些低成本适配器的固有特性,无负载条件下在首次接入期间可能会出现高达 10V 的开路电压,其会立刻毁坏低压芯片组。在这种情况下,便会用到 10.5V OVP 阈值的保护电路,保护电路输出稳压到安全的 5.5V。根据不同的输入电源,需要选择具有合适 OVP 电平的正确解决方案。

 2 显示了这类线性稳压模式过压保护解决方案的电压保护情况。

 2 保护电路 10.5V OVP 的输入和输出情况,以及 5.5V 的输出稳压

 0V 到欠压锁定 (UVLO) 电平(IC 工作电平)的输入电压情况下,保护电路的输出保持在 0V。尽管输入电压低于调节电压 VO(REG) ,但是 VUVLO 以上时输出电压会跟踪输入电压低于保护电路的保护 FET 的 RDS,on 带来的压降。输入电压在 VO(REG)  和 VOVP 之间时(也即容许瞬态条件阈值),输出被稳压到 5.5V。如果输入电压上升至 VOVP 以上,则保护 FET Q1 被关闭,从而去除输出电源。其响应必须迅速,FET 须在一微秒以内关闭。这种状态通过一个 FAULT 信号发送至主机系统。当输入电压返回到 VOVP 减去滞后电压 Vhys(OVP) 以下但仍然在 VUVLO 以上时,保护 FET 在一个 tON(OVP)  抗尖峰脉冲时间后再次开启,以保证输入电源已稳定。

 解决方案的过电流保护 (OCP) 阈值可以通过一个电阻器来实现可编程,以达到易用性。如果负载电流要超出 IOCP 阈值,则器件在 tBLANK(OCP) 消隐期间对电流进行限制。如果负载电流在 tBLANK(OCP) 时间结束以前返回至 IOCP 以下,则该解决方案继续工作。但是,如果过电流状态持续处在 tBLANK(OCP) ,则 Q1 关闭一个 tREC(OCP)  的恢复时间段,同时发送一个故障信号。FET 在恢复时间以后再次开启,并且电流再次受到全程监控。一旦 OCP 故障出现,内部计算器便递增。如果一个充电周期内出现几个 OCP 故障,则 FET 就会被永久关闭。通过取下并重新接通输入电源或重启器件,可以清零计算器。为了防止输入电压出现输入线缆电感引起的尖峰上升,可以慢慢关闭 Q1,以实现一次“软停机”。

 也可以实施一种更严格的电池过压保护,其对每个电池过压事件均发送故障信号。

 情况 B:综合保护和充电功能

 在一个单独 IC 中考虑充电器功能的情况下,应该实施类似的过压保护和电流限制功能,以保护系统免受 DC 电源线上过压峰值的损害,同时允许使用低成本、未稳压的墙上电源。充电 IC 还必须进行不超出子系统诸多限制的正确的输出电压稳压。另外,充电器解决方案现在需要对许多功能进行管理,例如:USB 电流限制和电源路径管理等,以保证符合标准和不违反所有工作条件的系统启动。图 3 显示了一个具有集成 OVP 和输入电流限制的 USB 标准充电实施。

 当今的一些先进解决方案,能够在同时、独立地为电池充电期间也为系统供电。这就减少了电池的充放电周期数,实现了正确的充电终止,并使系统能够运行在缺陷或无电池组的情况下,例如:生产测试环境等。它甚至还允许在电池完全放电的情况下即时开启系统。输入电流监控和限制是达到 USB 标准的关键。在许多应用情况中,对电池充电和运行系统的输入电源可以是一个 AC/DC 适配器,也可以是一个 USB 端口。动态电源路径管理 (DPPM) 在系统和电池充电之间共享电源电流,并在系统负载上升时自动减少充电电流。当通过 USB 端口充电时,如果输入电压降至防止 USB 端口崩溃的阈值以下,则基于输入电压的动态电源管理 (IDPM) 便减少输入电流。当适配器无法提供峰值系统电流时,电源路径架构还允许电池补偿这类系统电流要求。我们的标准是使用恒流、恒压 (CCCV) 充电方案和利用预充电和温度达标的电池预调节。

 输入电压保护

 与单独保护解决方案类似,充电器应防止出现高输入电压损坏。当输入电压高于 VOVP 的持续时间超过抗尖峰脉冲时间时,OVP 便关闭输出稳压,并中断充电。在 OVP 时,系统输出 (OUT) 被连接至电池,且充电器发送一个差输入电源信号。一旦 OVP 条件消失,一个新的上电序列便开始,同时充电器被复位。

 具有输入电流限制和输出稳压功能的动态电源路径管理

 在一些具有电源路径管理的系统中,充电器拥有为外部负载供电的输出。这种系统直接连接至电池,这是很重要的一点。只要电源连接至充电器输入 (IN) 或电池输入 (BAT),则该输出便有效。

  

3 带动态电源路径管理功能的线性、USB 标准充电器

 通过连接如 AC/DC 适配器或 USB 端口等电源,DPPM 电路持续监控输入电流。充电器输出可被调节到 BAT 电压以上 200mV。当 BAT 电压降至 3.2V 以下时,OUT 被钳位控制至 3.4V。这就允许即使是在电池放电的情况下也可以获得正确的系统负载启动。流入 IN 的电流在 OUT 下对电池充电并为系统供电。为了包括各种应用,充电电路需要具有 100mA (USB100) 和 500mA (USB500) 的可选电流限制以通过 USB 端口进行充电,同时还要有一个调节适应不同 AC/DC 适配器的电阻器可编程输入电流限制。输入电流限制选择由 EN1 和 EN2 引脚的状态来控制。使用电阻器可编程电流限制时,输入电流限制由连接 ILIM 引脚到 VSS 的电阻器值设定。当连接 IN 电源时,优先考虑系统负载。DPPM 和电池补偿模式均用于维持系统负载。图 4 描述了 DPPM 和补偿模式的例子。

  

 

 

 

 

 

 

 

4 DPPM 和电池补偿模式(VOREG = VBAT + 225mVVBAT = 3.6V

基于输入电压的 DPM (IDPM) 可用于电流限制 USB 端口运行。当 EN1 和 EN2 针对 USB 100 或 USB 500 模式配置时,输入电压得到监控。如果 VIN 降至某个特定的输入电压阈值,则减小输入电流限制来阻止输入电压进一步降低。这样做可以防止充电器电路破坏设计不当或错误配置的 USB 电源。当充电电流和系统负载电流的和超出由 EN1、EN2 和 ILIM 设定的最大输入电流时,OUT 电压就会下降。一旦 OUT 引脚的电压降至 DPPM 阈值以下,充电电流就会随着 OUT 电流增加而减小,以维持系统输出。

当没有电源连接至 IN 输入时,OUT 完全通过电池驱动。该模式下,流入 OUT 的电流未得到调节。但是,需要开启短路电路来防止系统过载充电器。

结论

锂离子化学电池在消费类应用中的使用已为人们所熟知。许多充电解决方案已经不仅仅是对恒压和恒流充电进行管理。当今的充电管理电路需要面对为数众多的保护功能,从输入过压及过电流到电池过电压。为了保证符合各种电源接口和充电标准,并实现电子设备在各种电池应用环境下的使用,拥有动态输入管理和电源路径管理功能是必需的。


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