過電壓和過電流保護提高了充電管理系統(tǒng)的安全性和可靠性

　　對于小型輕巧便攜式應(yīng)用而言，當前大家首選的可充電電池為鋰離子電池。但當談及手機、便攜式媒體播放器或?qū)Ш皆O(shè)備以及其他此類設(shè)備的電源管理時，設(shè)計工程師會使用一組定義明確的電壓電流范圍，其中包括作為電源的電池，向電池準確可靠地提供能量的充電器，以及線性穩(wěn)壓器或用于系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

　　不過，電源管理設(shè)計人員并不能控制設(shè)備中實際使用的電源。該設(shè)備可以連接至許多不同種類的電源，如穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓 AC/DC 適配器，USB 集線器和端口，以及車載和工業(yè)電源系統(tǒng)。這些電源能引起一系列的問題。由于對外部電源知之甚少，因此需要謹慎設(shè)計以保護應(yīng)用免受未知或不可預(yù)料事件的損害。

　　在電路和電池應(yīng)用中，現(xiàn)代保護方案可保護敏感充電電子元件免受高電壓和過電流條件的損害，通過快速關(guān)斷的卓越的電壓電流管理能力為應(yīng)用提供安全可靠的充電前端。

　　單體鋰離子電池充電系統(tǒng)

　　單體鋰離子電池應(yīng)用中典型的充電和電源管理通常包括兩個組件：電源和電源轉(zhuǎn)換電路。用戶將一個 AC/DC 墻上適配器或計算機的一根 USB 線纜插到便攜式設(shè)備中，以提供大約 5V 的電源電壓。在該設(shè)備中，充電管理芯片對電池充電進行穩(wěn)壓，并為主系統(tǒng)穩(wěn)壓器提供電源。充電管理芯片可以是與高集成的電源管理單元(PMU，包含許多DC/DC和低壓降 (LDO) 穩(wěn)壓器)結(jié)合使用的獨立充電器。此外，充電功能還被集成到 PMU 中。圖 1 顯示了單體鋰離子電池組電源系統(tǒng)的基本架構(gòu)。

　　以前，設(shè)備廠商限制可整合到他們的應(yīng)用中的電源類型，以確保電子設(shè)備附帶的電源適配器符合特定的工作性能要求。USB 充電并沒有得到廣泛應(yīng)用。

　　不過，由于消費電子類產(chǎn)品的巨大成本壓力，供應(yīng)商試圖通過簡化電源適配器或取消電源適配器和僅提供一根 USB 充電線纜來降低系統(tǒng)成本。此外，巨大的零配件市場允許消費者采購適合他們的電子設(shè)備的任何類型的電源適配器。USB 充電由于其方便特性成為單體鋰離子電池應(yīng)用的實際標準。中國政府也要求新生產(chǎn)的便攜式電子設(shè)備有通用的充電器接口。

　　由于設(shè)備對外接電源沒有限制，因此電源設(shè)計人員必須預(yù)料到各種各樣的設(shè)備工作和故障模式。零配件市場中的低價 AC/DC 適配器，即使有設(shè)計規(guī)范，也不那么嚴格。這可能允許電源線路的峰值 (spike) 現(xiàn)象，或允許簡單的變壓器型適配器的開路電壓抵達充電和電池系統(tǒng)。適配器的電子元件可能失效，從而造成不可預(yù)見的過電壓或過電流狀況。長距離線纜的電感效應(yīng)可能造成更多的電壓和電流瞬變問題。USB 端口和專用 USB 充電器，盡管可能符合 USB 規(guī)范，但是很多時候都沒有精確穩(wěn)壓到 5V 電源電壓。

　　那么為什么有潛在的可靠性和安全性問題呢?有人可能會認為充電電路提供了足夠的安全機制，可以承受電源臨時或長期的異常工作條件。不幸地是，實際情況剛好相反。絕大多數(shù)的獨立充電 IC(事實上包括當今市場上所有的模擬基帶 PMU)都采用了低電壓半導(dǎo)體工藝，通常提供的絕對最大電壓為 6 到 7V。對于 5V 系統(tǒng)中的過電壓條件而言，這一最大電壓并沒有提供很多的安全裕度。

　　造成這一情況的是工藝問題。只有極少數(shù)的半導(dǎo)體公司才擁有結(jié)合高電壓電子晶體管和高度集成的芯片邏輯的必要工藝技術(shù)，以制造符合成本有效目標的高性能充電 IC。對于具有電壓管理之外功能(如音頻信號處理或觸摸屏控制)的集成 PMU 來說，若要實現(xiàn)最大可能的集成度，同時又保持最高的音頻性能和精度，則要求使用小體積 (small-structure)、低電壓的 CMOS 工藝。不過，提高集成度的代價是，最大允許電壓額定值將有所下降。

　　電路和電池保護考慮因素

　　從本質(zhì)上來說，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)前端的電壓和電流條件可能會有三個方面的問題。

　　首先，電源輸入電壓可能會超過安全工作電壓電平(定義為電路在沒有損害情況下，可持續(xù)工作的電壓電平)。其次，異常負載條件可能會造成充電或電源轉(zhuǎn)換電路試圖從電源處獲得超出許可范圍(許可范圍內(nèi)不會損害電源，或符合輸入電流的給定標準)的電流。最后，充電器可能會發(fā)生故障，使得鋰離子電池穩(wěn)壓電壓超出安全工作電平，甚至可能引起爆炸。

　　傳統(tǒng)上，過電壓保護是通過瞬態(tài)電壓抑制器(瞬變吸收器)實現(xiàn)的，而實現(xiàn)瞬變吸收器功能的是針對大功率應(yīng)用的齊納二極管。但是瞬變吸收器的響應(yīng)速度可能較慢，并且它們的保護閾值不是太精確。此外，它們的體積相對較大。專用的集成輸入過電壓 (OVP) 電路的響應(yīng)速度更快，并且更精確。不過，這仍不足以確保整體的系統(tǒng)安全性和可靠性，因為此種保護方法僅適用潛在有害工作條件的一種可能情況?？梢允褂帽ｋU絲進行過電流保護，但是在瞬變吸收應(yīng)用中，對快速電壓和電流瞬變來說，保險絲的響應(yīng)時間可能不夠。倘若電路永久性毀壞，則需要返回廠商進行修理。除了消費者安全外，避免成本高昂的現(xiàn)場退貨是設(shè)備廠商努力尋求更高級保護措施的首要原因。與提供更多安全保護層一樣，產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)小巧且成本較低，并且有足夠能力以避免永久性故障。

　　圖 2 中電路的設(shè)計旨在保護鋰離子電池免受充電電路和電源故障的影響。IC 不斷監(jiān)控輸入電壓和電流以及電池電壓。若出現(xiàn)輸入過電壓情況，則 IC 將立即通過切斷內(nèi)部開關(guān)來切斷充電電路的電源。若出現(xiàn)過電流狀況，則 IC 會將系統(tǒng)電流限制在預(yù)編程閾值內(nèi)。若過電流狀況一直持續(xù)，則在消隱期后 IC 將切斷導(dǎo)通元件。

　　此外，IC 會監(jiān)控其自己的裸片溫度，并在裸片變得太熱時予以切斷。輸入過電流閾值為用戶可編程的，允許電流最大可達 1.5A。一個處理器就可對電路進行控制，并且電路會向主處理器提供故障狀態(tài)信息。對于對空間限制有極高要求的便攜式設(shè)備而言，電路僅使用兩個很小的 1-µF 電容。電路封裝在一個很小的2×2 mm2封裝中，這與先前所述使用保險絲和瞬變吸收器的離散方法相比，極大地減少了完整高性能保護解決方案的尺寸。

　　如果 AC 適配器的輸入電壓超過了預(yù)編程數(shù)值(VOVP)，如圖3綠色水平線所示，則作為導(dǎo)通元件的內(nèi)部 FET 將關(guān)斷，切斷了電路的電源，F(xiàn)AULT 引腳將驅(qū)低。當輸入電壓回到 VOVP – VHYS-OVP (但仍然高于 VUVLO)，則 FET 將在 tON(OVP) 干擾時間 (deglitch time) 以后再次啟動，以確保輸入電源的穩(wěn)定。實施電壓滯后是為了避免產(chǎn)生振鈴。

　　過電流閾值 IOCP 由連接于 ILIM 引腳至接地的電阻 RILIM 進行編程。如果負載電流試圖超過 IOCP 閾值，則設(shè)備將在消隱期 (tBLANK(OCP)) 內(nèi)限制電流，如圖 4 所示。如果負載電流在 tBLANK(OCP) 時間內(nèi)回到了 IOCP 以下，則設(shè)備繼續(xù)工作。不過，若過電流狀況持續(xù)時間超過 tBLANK(OCP)，則 FET 將關(guān)斷 tON(OCP)，并且 FAULT 引腳將驅(qū)低。然后 FET 在 tON(OCP) 后再次啟動，并且電流繼續(xù)被完全監(jiān)控。

　　每次出現(xiàn) OCP 故障時，內(nèi)部計數(shù)器將加一。如果在一個充電周期內(nèi)出現(xiàn)了 15 次 OCP 故障，則 FET 將永久關(guān)斷。計數(shù)器的清零可通過去掉并重新施加輸入電力，或通過主處理器控制的 CE 引腳的關(guān)閉并重新啟動設(shè)備進行?？梢院苋菀卓吹胶唵蔚谋ｋU絲/瞬變吸收器的結(jié)合應(yīng)用不能滿足這一靈活性水平和系統(tǒng)安全性優(yōu)化的要求。

　　盡管鋰離子電池組通常有專用的安全電路對電池進行保護，避免電池受到不安全電壓電平的損害，但最好還是增加一個備用安全電路，以確保電池被監(jiān)控和保護，在電池組保護電路發(fā)生故障時避免電池受到異常工作條件的損害。

　　圖 2 中的電池過電壓閾值內(nèi)部設(shè)置為 4.35V。如果電池電壓超過了 BVOVP 閾值，則 FET 將切斷，并且 FAULT 引腳驅(qū)低。FET 在電池電壓下降到 BVOVP–VHYS-BOVP 時再次啟動。每當電池出現(xiàn)過電壓故障時，內(nèi)部計數(shù)器將加一。如果一個充電周期內(nèi)出現(xiàn)了了 15 次此類故障，則 FET 將永久關(guān)斷。計數(shù)器的清零可通過去掉并重新施加輸入電力，或利用 CE 引腳關(guān)閉并重新啟動設(shè)備進行，這與 OCP 計數(shù)器清零一樣。

　　除了保護系統(tǒng)免受意外不安全外部條件的損害外，該設(shè)計還可保護自身免受過熱引起的損害。如果設(shè)備的結(jié)溫超過了 TJ(OFF)，則將切斷 FET，并且 FAULT引腳將驅(qū)低。FET 在結(jié)溫降到關(guān)斷溫度 TJ(OFF) 減去允許的滯后TJ(OFF-HYS) 以下時重新啟動，以避免錯誤的電壓觸發(fā)。

　　通常人們都希望將信號異常狀況報告給主系統(tǒng)，以采取進一步措施。FAULT 引腳是一個開漏輸出，在過電壓、過電流以及電池過電壓事件中變低。如果應(yīng)用不要求對 FAULT 引腳進行監(jiān)控，則可以留空不接。

　　IC 有一個開啟和關(guān)閉設(shè)備的啟動引腳。當 CE 引腳為高時，則內(nèi)部 FET 將關(guān)閉。當 CE 引腳為低時，則只要其它條件安全，F(xiàn)ET 將會啟動。CE 引腳有一個內(nèi)部下拉電阻，并可留空不接。請注意，F(xiàn)AULT 引腳在 CE 引腳為高時，其功能也被禁止。

　　結(jié)論

　　現(xiàn)代便攜式設(shè)備可以由多種類型的電源進行充電，電源的工作和故障模式通常都是設(shè)計工程師未知的。雖然使用保險絲和瞬變吸收器的傳統(tǒng)保護電路提供了某種程度的保護，但是不能滿足當今對小尺寸封裝、低功耗以及快速重復(fù)響應(yīng)的要求。全面集成的過電壓、過電流和電池過電壓電路提供了最大化的安全性和可靠性，同時又僅占用最小的板級空間，并避免了昂貴的現(xiàn)場退貨。