技术文章

联系我们CONTACT

湖北德普电气股 份有限公司

地 址:襄阳市高新 区(自贸区)叶店路16号
电 话:0710-3276513传 真:0710-3276513
邮 箱:xfdpxs@126.com
网 址:www.techpow.com.cn
全国统一服务热 线:400 0710 600



武汉德普新源科 技有限公司

地址:武汉东湖 高新技术产业开发区华师园北路6号
电话:027-81610218
传真:027-81610218



湖北德普智能装 备有限公司

地址:湖北省襄 阳市高新区(自贸区)叶店路16号
电话:0710-3357890

您当前的位置: > 技术文章 > 技术文章

锂离子电池充 放 电安全及电池检测设计

上传时间: 2017-04-18阅读次数: 编辑:admin
  手机的锂离子电 池充电安全性日益受到消费者重视,因此充电器制造商在设计产品时,须掌握锂离子电池的相关规格和特性,并使用具备完善电池检测及保护功能的充电芯片,以降低过电流、过电压或过温等状况所造成的危险。
  随着科技进步、 生活质量提升,电子产品的踪迹到处可见,其中又以手机为人类生活中不可或缺的必需品。不论是早期黑金刚手机或现今功能强大的智能手机,皆需要电源才能运作。
   早期手机的电 池主要有二种,一是镍氢、镍镉电池,二是锂离子电池,但现在使用镍氢、镍镉电池来做为电源的手机,已经是非常的少见,绝大部分都是使用锂离 子电池,尤其消 费者希望手机待机时间更长,且体积要更小,所以镍氢、镍镉电池已经慢慢不能符合消费者的期望而被淘汰。 虽然镍氢、镍镉 电池在价格以及替代电池取得的便利性优于锂离子电池,在其他电子产品上仍旧可看到镍氢、镍镉电池的踪迹;但是,在体积、 重量及容量方面,镍 氢、镍镉电池皆 不如锂离子电池,所以现今标榜着轻薄短小的电子产品,几乎都是使用锂离子电池。
  智能型手机 因其功能强大、屏幕耗电量大,更是需要电池容量大及电力更耐久的锂离子电池。当手机电池电量不足时,使用者通常会以充电器或搭配一组移动电源随时对电池进行充电。
  体积/容量兼具 锂离子电池为电 子产品首选
  充电电池依 其材质的不同可分为四类:铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。
  表1 充电电池比较表
  由表1优缺点看来,镍 镉、镍氢及锂离子电池较适合使用在电子产品上;而锂离子电池无 论是在体积、重量及容量(电子产品的使用时间)较优于镍镉、镍氢电池,也无记忆效应的问题,所以锂离子电池在电子产品使用上似乎方便许多。
  延长使用寿 命 锂离子电池充 /放电压成关键
   一般来说,锂 离子电池会有电性安全的范围限制。由于锂离子电池的特性,当电池电压在充电时上升到最高设定电压后,要立即停止充电,避免电池因过充电造成 电池损毁而产生 危险;电池供电(放电 )时,电池电压如果降至最低设定电压以下便要停止放电,避免因过放电而降低使用寿命。
  此外,为确 保电池使用上的安全,锂离子电池还必须要加装短路保护,以避免发生危险;即使大多数的锂 离子电池都有加装保护电路,然而在选择优质的充电器或移动电源时,这仍然是一项重要的考量因素。
  锂离子电池充 电器首重安全
  充电器是将电池充至其额定电压的设备,而锂离子电池充 电器必须具备以下几点特性:
  1)可提供固定电流 给充电电池
  当电池电压 到达最大值且不再上升时,其充电电流便会开始下降,如此可避免对电池过度充电,造成电池损伤;当充电电流降至 一定程度时,充电器将停止充电。
  2)确保电池具备可 使用电压
  电池在充电 完成后,若长时间放置不使用会有自然放电的情形出现,为避免电池过度自放电导致电池电压下降,当电池电压低于所设定电压时,充电器会重新开始对电池充电,确保电池在使用时还能维持一定电压。
  四阶段充电 简述
  以下使用沛 亨半导体的充电集成电路(IC)--AIC6511做锂离子电池充 电简介,图1为锂离子电池充 电曲线图:
  图1 锂离子电池充 电曲线图
  1)Trickle Charge or Pre-Charge
  此时的锂离 子电池电压小于3伏特(V),当充电器开 始对电池充电时,因锂离子电池的特性,其内部阻抗会很大,故充电器会先以一微小电流对电池进行充电,此时电池电压持续上升。
  2)定电流充电( Constant Current Charge, CC Charge)
  当电池充电 电压上升至约3伏特时,充电器 改以最大充电电流对电池进行定电流充电,此时电池电压持续上升。
  3)定电压充电( Constant Voltage Charge, CV Charge)
  当电池充电 电压上升至接近锂离子电池的饱和点电压约4.2伏特时,充电器 改以定电压模式对电池进行充电,此时充电电流开始下降。
  4)Charge Full
  当充电电流 降至微小电流时,充电器停止对电池充电。
  电池在充电 完成后,若长时间放置不使用会有自然放电的情形出现,为避免电池过度放电导致电池电压下降,电源IC在锂离子电池电 压降至4伏特时,会重新 开始对电池进行CC Charge模式充电,确保 电池在使用时还能维持一定电压。
  锂离子电池充 电周期
  因锂离子电 池的特性,若锂离子电池在充电之前已深度放电,此时充电器会先以微弱电流对电池进行Pre-Charge充电(各家厂商 设定值不同,本文使用范例的充电IC设定值约为 10%的最大充电电流 ),充电时电池电压上升。
  当电池电压 上升至约3伏特,充电器改 以最大充电电流对电池进行CC Charge,电池电压持续 上升。
  当电池充电 电压上升至接近锂离子电池的饱和点电压约4.2伏特时,充电器 改以CV Charge对电池进行充电 ,此时充电电流开始下降,当充电电流降至约等于Pre-Charge电流时,充电器 停止对电池充电,即完成充电。
   不论是用通用 序列总线(USB)或AC电源转换器( Adapter)输入电源对电 池充电,当电池开始充电后,若充电时间超过其设定时间,充电器仍然操作 于Pre-Charge模式而未进入 CC Charge模式,或者仍然 操作于CC/CV Charge模式而未进入 充电完成状态,则透过IC的充电计时保护 功能使充电器停止对电池充电。
  充电计时保 护确保电池安全
  图2为本文范例充电 IC的脚位示意图 , 充电计时保护时间由IC外部TMR脚位(Pin 15)的电容CTMR设定,CTMR选择方式如下:
  图2 AIC6511脚位示意图
  .Pre-Charge充电时间:
  
  ……(Minutes)
  。完整充电 时间:
  ……Minutes)
   若电池在充电 状态下,充电时间已超过使用者所设定的充电计时保护时间,但充电器却仍尚未脱离当前的充电状态或结束充电,这时IC的充电计时保护 功能就会 立即启动,迫使 充电器停止对电池充电(图3),此时的 STAT1(Pin 12)位准为High,LED1指示灯为不亮( 图4);若将TMR(Pin 15)脚位连接至 GND(Pin 6)脚位,便可以 解除使充电计时保护功能。
  图3 充电器是否正确 检测电池充电情形,对于使用安全至关重要
  当输入电源 重置、EN信号触发时,皆 能解除充电计时保护时间,使其重新计时。
  充电指示状 态
  图4中,STAT1(Pin 12)及STAT2(Pin 13)内部为两个 Open-Drain的N型金属氧化物半 导体(NMOS)开关,必须和 VREF33脚位(Pin 7)或与其他有 Pull-Up电阻的偏压电源 连接,其动作情形如表2所示。
  图4 AIC6511典型应用电路
  表2 充电指示状态表
  输入电源检 测防止电池漏电流倒灌
  AC Adapter或USB两种不同输入电 源皆可对电池充电。若同时接上AC Adapter及USB电源,IC内部开关会优先 选择AC Adapter端做为充电器的 输入电源;然而,应避免此 情况发生。
  .ACIN
  图4中供一般插座之 Adapter电源于VIN脚位(Pin 2)输入,在 ACIN充电模式下,能 以高达2安培(A)之充电电流对 电池进行充电,最大充电电流由RS1电阻设定。
  .USBIN
  USBIN脚位(Pin 5)供USB电源输入。在选 择USBIN充电模式时,其 输入限制电流由RILIM电阻设定,设定 500毫安(mA)适用于USB 2.0,900毫安适用于 USB 3.0.
   当使用USBIN模式时,CC Charge电流会随不同输 入电压和电池电压变动,藉由检测在CC Charge时流经RS1电阻的电流来调 节其固定输入限制电流IUSB_LIM.在充电过程中, 若将AC Adapter及USB电源移除, IC内部开关皆会截 止并启动防倒灌保护功能,防止电池漏电流逆向倒灌回输入电源端。
       
  充电电流设 定
  本文范例 芯 片提供USB及AC Adapter两种输入电源模 式选择对电池充电,其充电电流设定如下:
  .ACIN充电电流: 
  透过图 4中RS1电阻可设定高达 2安培的最大充电 电流(Maximum Charge Current)。
  ……(A)
  .Trickle or Pre-Charge充电电流: 
  不论是 ACIN或USBIN,其充电电流( Pre-Charge Current)约为10%的最大充电电流 。
  ……(A)
  .USBIN输入限制电流:
  透过RILIM电阻可设定其输 入限制电流(USBIN Input Current Limit)。
  ……(mA)
  NTC热敏电阻维持电 池温度安全
  负温度系数 (Negative Temperature Coefficient, NTC)热敏电阻的阻 值与温度成反比,会因高温递减、低温递增,且温度系数非常大,可用于检测微小的温度变化,因而被广泛的应用在温度的量测与补偿控制。
  图5为电池温度检测 电路,透过图4中NTC脚位(Pin 14)检测NTC热敏电阻的电压 ,充电IC能持续检测电池 的温度,确保电池温度的安全操作范围。
  图5 电池温度检测电 路
  由NTC脚位(Pin 14)上的电压与 NTC高低温位准比较 ,可得知电池操作温度是否正常;一旦检测到电池 温度超过正常操作温度范围,会立即关闭内部的同步降压器并停止充电动作;当电池温度回复 至正常温度范围时,充电器将重新恢复充电动作。
   内建的NTC磁滞温度比较器 ,可接受的电压范围为32?74%的VREF33.假设选用103AT-2型号的热敏电阻 做为温度传感器(操作温度为 -10?40℃,阻值RTL与RTH为5.827千欧姆(kΩ)与42.470千欧姆), RTL为热敏电阻在低 温时的电阻值,RTH为热敏电阻在高 温时的 电阻值,根据所 选用型号的热敏电阻在高低温时不同的电阻值,再与RT1及RT2配合,将温度信 号转变成电压信号,可推算出RT1、RT2的电阻值,计算 方 式如下:
  ……(热敏电阻 103AT-2)
  ……(NTC高温磁滞位准)
  ……(NTC低温磁滞位准) 整理后可得:
  ……(kΩ)
  ……(kΩ)
  RT1及RT2选用12千欧姆和5千欧姆,即可完 成NTC保护功能。
  若在NTC脚位(Pin 14)输入介于 NTC高低限电压位准 范围内的固定电压时,可使电池温度检测功能除能。
  过温度保护 防止充电过热
  过温度保护 (Thermal Shutdown Protection)可避免IC在充电时发生过 热情形。
   此功能透过监 测充电IC的接面温度( Junction Temperature, TJ),一旦发现 TJ的温度已达到过 温度点(Thermal Shutdown Threshold, TSHTDWN)约150℃左右时, IC便会立即关闭充 电器,使其停止充电;待TJ温度降至约 130℃时,IC才会重新启动。
  选用合适充 电IC 锂离子电池充 电器更稳定
  本文范例 IC为开关切换式锂离子电池充 电器,内部为同步降压型转换器架构,不须加装额外的开关及二极管,能提供USB及AC Adapter两种输入电源模 式选择对电池充电,并具备充电保护功能。
  由于锂离子 电池的电气特性较镍氢、镍镉电池稳定,在设计充电器方面也相对容易,只要先了解锂离子电池的相关规格、再依需求选择合适的充电IC(图6),就能轻松地设计一个锂离子电池充 电器。
  图6 充电IC可检测电池充电 情形,使充电器兼顾效能与安全性
统集成。
上一篇:没有了 下一篇:充电电池基本测 试
关于我们 产品中心 研发中心 德普智能 新闻中心 产品应用 联系我们 技术文章

公司地址:襄阳市高新 区(自贸区)叶店路16号 服务电话: 400 0710 600
Copyright © 2015-2018 湖北德普电气股 份有限公司 版权所有

X请用手机扫描微 信二维码

友情链接:    时时彩官方网投注平台   时时彩正规平台   易彩网  正规彩票---首页_欢迎您   重庆时时彩稳赚计划