消费电子产品电子设计指南(电源供电): 锂电池充电前端保护

随着物联网产业的蓬勃发展,使用锂电池的家用消费电子产品也越来越多。从简单的儿童玩具、充电小台灯到复杂的智能手机、智能手表,锂电池已经深入我们的日常生活。锂电池具有能量密度大、可重复使用、环保等诸多优点,因此被广泛使用在数码电子产品中。但与此同时,锂电池在短路和破损时有爆炸起火的危险,在过度放电时也会影响电池的使用寿命。所以,对锂电池的充放电电路进行适当地保护,不仅能确保锂电池的安全使用,增加产品的安全性,也可以延长锂电池的使用寿命,进而增加产品的使用期限。

锂电池简单介绍

1991年,Sony成功开发了可商用的锂离子电池(Li-ion Battery)。锂电池的实用化,使人们的移动电话、笔记型电脑等携带式电子设备重量和体积大大减小,使用时间大大延长。由于锂离子电池中不含有重金属镉,与镍镉电池相比,大大减少了对环境的污染。

现在常用的锂离子电池,依电解质成分的不同,可分为锂离子聚合物电池(LiPo Battery)和磷酸铁锂电池(LiFePO4 Battery)两大类。目前中文语境下锂电池的名称指代较为混乱,但通常都是指以锂离子形式在电池正负极之间移动、可重复使用的充电电池。以锂金属或锂合金为阳极材料的不可充电锂电池不在本文讨论范围内。

锂离子聚合物电池的标称电压通常是3.7V,而磷酸铁锂电池的标称电压通常是3.2V。锂离子聚合物电池的能量密度更好,而磷酸铁锂电池的安全性更好,使用寿命更长,价格更低。

锂离子电池具有高能量密度、低自放电、宽工作温度范围、充放电速度快等优点,但同时也有不耐受过充过放、不规范使用易发热、膨胀甚至爆炸等缺点。

锂电池充电的前端保护

在过去二十年中,以锂电池为动力的便携式设备(如手机、平板电脑、大疆无人机、GoPro等)已成为人们日常生活的重要组成部分。有许多类型的适配器可用于为锂离子电池充电,但它们的电气规格通常因制造商而异。理想情况下,不同的适配器在连接器规格相同的情况下(比如都为USB-C接口或同规格直流插孔)应当可以通用。这就对产品设计人员提出了挑战,要求他们制造的便携式设备在与不同的适配器一起使用时能够满足安全和可靠性要求。有别于放置在锂电池本体上的PCM(Protection Circuit Module),锂电池的前端保护放置在外部电源输入之后、充电芯片之前的电路板上。有些锂电池并未在电池本体上加装PCM保护,因此在产品设计里对过充、过放、过电流等可能危害锂电池安全的情况加以保护和限制就显得至关重要。

充电时输入电压过高是引起锂电池起火爆炸的最主要原因。我们已经在新闻报道上见过很多次由于使用三无充电器给手机充电引起手机电池爆炸的新闻。这种三无充电器往往对输出电压没有进行很好的调压,空载时输出电压可能是额定直流电压的1.4倍(见下图,甚至更高!)。如果锂电池前端没有针对这种情况进行保护或者保护不足的话,锂电池很可能在过高充电的电压下发生膨胀、过热、燃烧甚至爆炸。

通常来说锂电池充电时充电IC都采取恒流充电的策略,在IC内部对电流进行了限制,因此不大会出现输入电流过高的情况。然而,有些产品在设计时为了减少锂电池的充放电次数,会在产品连接到外部充电器时,把输入端的直流电流绕过锂电池充电这一步,直接供应到系统电源里。这种情况下由于电流路径绕过了充电IC,因此充电IC内部的限流功能不起作用,我们仍需在充电前端对输入电流进行限制以策安全。

我们之前已经提过多次,锂电池在过度充电时会有发热、膨胀、燃烧甚至爆炸的风险,所以我们需要严密监测锂电池的电压,在锂电池电压达到充电截止电压时及时停止充电。充电器的正负极性错置也会对产品安全造成风险,因此需要添加反向保护。

每个使用锂电池的电子产品都必须对以上四个可能风险进行良好的前端保护。

锂电池前端保护的应用电路

维安电子公司新近推出的锂电池前端电路保护芯片WP1111,集成了包括输入过压保护、输入过流保护、锂电池过充保护等多重保护功能,适用于智能手机、平板电脑和其他使用锂电池的电子产品的前端保护。

WP1111的典型应用电路如上图所示。来自适配器的直流电压进入1脚IN后从8脚OUT流出,流向后端的充电IC,充电IC再以先恒流再恒压的方式给锂电池充电。6脚VBAT通过一个电阻对电池电压进行取样,避免锂电池电压过高。7脚ILIM通过不同阻值的电阻接地,限制从IN到OUT不同大小的电流。5脚CE可悬空或接地,若接高电平则IC被禁用(IN跟OUT保持断开)。4脚FAULT是开漏输出,低电平代表出现输入电压过高、输入电流过大、电池电压过高等故障情形,1脚IN跟8脚OUT之间断开。

WP1111的Block Diagram

WP1111的原理框图如上图所示。外部直流输入电压进入OVP和UVLO这两个比较器。当外部电压VIN高于WP1111的输入过压限值VOVP(标准值5.95V)或者低于输入低压锁闭限值VUVLO(标准值2.7V)时,WP1111的IN和OUT之间的MOSFET都会被断开,以保护后端充电电路的输入电压总是在合理的范围内。而当输入电压恢复到正常范围后,WP1111的IN跟OUT之间又会重新闭合。

而通过改变ILIM脚的外接接地电阻阻值,我们可以在0.3A到1.5A之间设置任意的输入电流过流保护值。过流保护值IOCP(A)和限流电阻阻值RILIM(kΩ)之间的关系由下面的等式给出:

IOCP = 25 ÷ RILIM

WP1111的OCP比较器会比较IN-OUT之间的电流和RILIM设定的IOCP。当IN-OUT之间的电流高于IOCP时,MOSFET断开,保护后端电路。tREC(OCP)之后MOSFET会重新闭合。若此时当IN-OUT之间的电流仍旧高于IOCP时,MOSFET会再次断开。若一次充电过程中输入过流事件发生超过15次,WP1111的MOSFET就会彻底断开,直至电路重启(CE脚重置)。

锂电池过充保护是通过VBAT脚检测锂电池的电压实现的,而WP1111已将VBAT的限值设定为4.4V。注意!这意味着WP1111只适用于充电截止电压为4.2V或4.35V的聚合物锂离子电池,而不适用于充电截止电压3.6V-3.65V的磷酸铁锂电池。建议使用100kΩ或以上阻值的电阻将WP1111的VBAT脚连接至锂电池的正极,而不要直接将VBAT脚与电池正极相连。当VBAT脚采样到的电池电压过高时,IN和OUT之间的MOSFET,确保后端锂电池充电IC不会再给电池充电。

而针对充电器输入的反向保护,如果使用的充电接口是USB接口或者直流插孔这类不会误插的接电方式,通常不需要进行反向保护。但如果是用插线或者其他可能混淆充电输入正负极的接电方式,除了结构件的防呆设计以外也要添加电路端的反向保护。可参考本博客的另一篇文章:消费电子产品电子设计指南(电源供电): 使用P-MOSFET进行电池反接保护

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