便攜式設備電池充電系統(tǒng)保護設計方案

為便攜式產(chǎn)品的電池充電有幾種方式。以手機為例，我們可以利用墻式適配器或者其它充電設備充電，這種方式提供的電流可以達到2A，墻式適配器產(chǎn)生的高壓有可能達到30V；也可以通過USB線來進行充電，它可以提供500mA的充電電流，但是USB線上的高壓也有可能達到20V；同時，我們也可以通過手機對附件進行供電，比如調(diào)頻收發(fā)器等外部附件。加強充電、供電保護，使電池的安全性更高、可用時間更長、可用電壓更寬、充電時間更短、生命周期更長，是移動設備發(fā)展的一個趨勢。

直流充電通道的保護（從墻式適配器到電池）

圖 1是一個典型的充電電路示意圖，該充電電路主要有以下幾個問題：對于直接充電來講，充電得不到保護；對于反向放電來講，沒有優(yōu)化壓降，同時也沒有控制反向的放電電流。這些問題都會極大地影響系統(tǒng)的安全性、電池的可用時間以及電池的充電時間，與電池充電市場的發(fā)展趨勢背道而馳，所以必須重新設計系統(tǒng)的保護方案。

圖1 典型的充電電路示意圖

我們知道系統(tǒng)的保護僅僅依靠充電器本身是不夠的，需要添加額外的設想保護方案（Box）。相應的保護方案有兩種：第一種是將設想保護方案集成在充電器IC里，第二種是采用獨立的外部器件來進行保護，目前的大趨勢是采用獨立的外部器件。

針對對直接充電，設想保護方案首先應該解決浪涌電流效應的問題，其次應該解決正向和反向的過壓保護，這兩個保護功能是必須要有的。此外，還包括直接充電的過流保護以及電池電壓的監(jiān)測，這兩項保護功能是可選的。

浪涌電流效應。由于寄生電感和輸入電容的影響，充電器在熱插入時可能產(chǎn)生高壓的振鈴，損害集成電路，此時我們需要控制保護方案內(nèi)部的MOSFET，使系統(tǒng)內(nèi)部的電流和電壓不超過額定值。

正向和負向過壓保護。由于AC-DC的瞬態(tài)、適配器故障或錯誤，保護方案的輸出不能超過便攜系統(tǒng)的最大額定電壓，所以要保護源自墻式適配器的過壓保障，需要具備+28V的正向過壓保護以及-28V的反向過壓保護。只有在過壓比較器的輸入比系統(tǒng)的最大額定電壓低的時候，保護器件才能保持導通狀態(tài)。

直接充電通道的過流保護。如果直接充電通道出現(xiàn)過流的話，可能會損壞系統(tǒng)。但是過流保護特性應該為可選的，主要是因為：首先，充電電路內(nèi)的充電電阻會檢測充電電流，并且由充電IC來控制該充電電流；其次，AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出能力是有限的，如果出現(xiàn)過流，AC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓會急劇的跌落。

電池電壓監(jiān)測。截至目前為止，鋰離子電池的最大電壓為4.35V，在電池組中集成了電壓監(jiān)測功能，某些應用甚至集成了兩個電池包的保護方案，而且充電電路也會監(jiān)測電池電壓，因此電池電壓監(jiān)測可以增加到設想的保護方案當中。但由于在系統(tǒng)中已經(jīng)有多處提供了這種保護功能，因此該功能應該是可選的。

綜上所述，設想保護方案（Box）必須具備下列特性：

1. 過壓鎖定能力。只有在總線電壓低于系統(tǒng)的最大額定電壓的時候，保護器件才應該是導通的。如果出現(xiàn)過壓，保護器件應該處于斷開狀態(tài)以保護內(nèi)部的系統(tǒng)。

2. 具備抗過壓能力。采用墻式適配器充電的時候為+28V，利用USB充電的時候為+20V。

3. 具有電流通過能力。利用墻式適配器充電的時候，電流可能達到1A甚至2A；在使用USB充電時，最大電流為500mA，

4. 能夠?qū)擞侩娏鬟M行控制。

5. 保護器件與充電IC應該相互獨立。

如果具備了以上特性，直接充電通道將會得到良好的保護。

反向供電通道（從電池到附件）

對于反向供電通道來講，設想的解決方案（Box）必須解決以下幾個問題：電池放電、反向過流、反向浪涌電流、短路保護，并盡量降低反向電路的電壓電路。

電池放電。當輸入電壓低于電池電壓時，應該避免電池放電，因為此時附件可能是沒有插入的。這時應該采用背對背的解決方案，在Vin小于Vbat的時候，防止電池漏電。只有在檢測到附件時，才支持反向供電。

圖2 建議解決方案

反向過流保護功能。當連接錯誤的附件或有缺陷的附件的時候，電池仍然有可能放電到附件，而且反向放電的電流可能超過充電通道的電流通過能力。由于充電器無法檢測到反向電流，因此需要增加另外的模塊來檢測反向電流。

反向浪涌電流抑制。插入附件的時候，如果沒有電流保護方案，可能從電池流出極高的浪涌電流，而且可能產(chǎn)生過高的振鈴，從而損害器件，所以必須采用電流監(jiān)測功能來控制反向MOSFET的門極，從而消除振鈴和浪涌電流。

短路保護。如果附件出現(xiàn)直接短路，可能會瞬時涌現(xiàn)源自電池的極高電流，所以保護器件應該提供過流保護，而且可以通過外部電阻對電流進行設置以適應不同的系統(tǒng)要求。另外，保護器件應該具有自動恢復功能，即當外部短路狀況消除之后，系統(tǒng)會自動地恢復工作。

從電池到外部附件的電壓電路。必須降低電池和附件之間的損耗，如果電壓電路過高的話，會產(chǎn)生額外的損耗，影響到電池的可用電壓。

綜上所述，設想的保護方案（Box）應該具備以下的特性：

1. 對于電池放電來講，應該采用背對背的結構，防止電池漏電。

2. 應該具備反向過流保護功能。

3. 應該對反向浪涌電流進行控制。

4. 應該對反向供電通道的短路進行保護。

5. 導通電阻應該盡可能的低，即使通道的電壓跌落盡可能的低，減少額外的損耗。

只有具備了以上特性，反向通道才能得到良好的保護。

因此，我們建議的解決方案的架構是：具有背對背的N-MOSFET、具備正向和反向的過壓保護以及反向過流保護功能、具有極低的靜態(tài)電流等功能。（圖2）

集成解決方案的細節(jié)

圖3所示為集成解決方案的細節(jié)框圖，由于采用的是背對背的N-MOS結構，通過第一個N-MOS（標識1）的門極，可以防止浪涌電流進入系統(tǒng)內(nèi)部，同時這個N-MOS也提供正向的過壓保護。

圖3 集成解決方案

圖4 安森美OVP產(chǎn)品系列

背對背N-MOS結構的另一個N-MOS（標識2）提供-28V的過壓保護。之前采用的一般是P-MOS，但相對于P-MOS，N-MOS的導通電阻更低，使電池能夠工作在更低電壓下。同時N-MOS支持更大的電流，而且這個N-MOS還通過檢測電流來控制反向通道的浪涌電流，提供反向過流保護。

此外，方案還應提供過流保護（標識3），并且過流保護的電流值可以通過外部電阻設定。同時集成方案還要提供狀態(tài)標記引腳（標識4）以及邏輯控制引腳（標識5），并控制芯片的工作模式。