一种提高电池充电系统安全性的设计和实现

    电池供电的便携式装置，如手机已成为人们日常生活中的重要组成部分。许多类型的适配器可用来为锂离子（Li-ion）电池充电，并为系统供电，而各制造商的电气规格通常是不同的。这对系统设计师构建便携式装置提出了要求，在采用不同适配器时均符合安全和可靠性需求。介绍了一种新型电池充电器前端（CFE）器件，即德州仪器（TI）公司的bq243xx,该器件专门做了优化，以提高锂离子供电系统的安全性。充电系统将电池充电器器件、保护模块和bq243xx CFE集中在一个电池盒内，提供更强大的系统级保护。

    电池充电系统

    图 1 是典型电池充电系统的示意图。系统输入为 AC 墙式适配器提供的 DC 电源或 USB 接口等提供的 DC 电源。典型的电池充电系统包括充电前端 （CFE）、电池充电器以及电池组。CFE 保护集成电路 （IC） 集成输入过压、过流及电池过压保护机制，可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，从而可延长电池使用寿命，提高安全性。了解锂离子电池的特性对设计安全性更高的充电系统非常重要。

 

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normal align=center>　　图 1：典型的电池充电系统

    锂离子电池的安全性

    输入过压、输入过流、电池电压过大或反向输入电压都可能导致充电系统损坏。带电插拔适配器或适配器使用不当会引起输入过压；瞬时过压或稳态过压也会导致输入过压。对正在充电、非稳压的适配器进行带电插拔，适配器使用不当或负载瞬变是最常见的引发过压的事件。空载时非稳压适配器将对适配器的输出电容充电，充电至整流输入电压的峰值，约为额定直流电压的1.4倍。这对于"低压制程"（ V工艺）的器件来说往往会造成问题。图1为典型稳压适配器输出电压与非稳压适配器的负载曲线。输入过流不会导致独立式充电器损坏，因为它们的恒定电流模式限制了输出或电池电流大小。然而，电源路径管理器件的输入与系统总线电压直接相连，通常未有针对大电流的保护机制。近来，设计人员对限制电流模式下工作的适配器安全性给予较多关注，并期望能借助于可编程电流限制电路来确保适配器不进入限流模式。

    众所周知，高温下锂离子电池和锂聚合物电池组过充电，就可能发生"爆炸起火".产生过充电的主要原因是电池电压过高。为了提高电池的安全性，许多制造商都加入了二级过压保护以在检测到电池电压过高时移走输入电源。采用通用连接器时，应注意反极性适配器是否连接到输入。若没有输入反极性保护，衬底和集成电路间的寄生二极管将成为正向偏置，造成器件故障或损坏。实现输入反极性保护的两个基本解决方案如图2所示。第一种解决办法是在输入端串联一只二极管，以阻止反向电流。不过，这将导致功耗增加。第二种解决办法是在输入端串联一只低RDS（ON）的MOSFET,尽量减少功耗。

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normal align=center>　　图 2：电池热耗散