【導讀】許多便攜式設備選擇鋰離子化學電池作為其電池技術已經變得十分普遍。現在，電源、充電 IC 產品和系統架構種類繁多，工程師們忙于挑選出合適的充電和充電保護拓撲結構。本文介紹了獲得最大安全性、可靠性和系統性能的一些重要的系統保護方法和先進充電管理。
過壓和過電流保護的諸多挑戰
諸如移動電話、媒體播放器或 GPS 系統的便攜式終端設備通常都帶有一個已知電源電壓和電流特性的專用電源，且一般都具有一個專用插頭。這樣做的目的是避免消費者使用非許可電源或反向連接電源。今天，在更高能效需求的推動下，消費者和標準組織都要求通用電源接口，旨在讓不同廠商的終端設備都能夠使用標準化的 AC/DC 適配器或 USB 連接。
這給電源設計工程師帶來了一個巨大的挑戰，因為現在消費者控制著插入設備的電源。現在，要求在充電器電路前面增加保護電路來保護系統免受過電壓和過電流情況的損壞，同時避免對終端設備帶來嚴重的破壞。更重要的是，它要消除可能會給終端用戶帶來危險的安全風險。由于這種保護電路需要防止“大量未知情況”的發生，因此它必須在保證設備在規定限制范圍內得到充電的同時，還要包括各種輸入電源狀態。一些實際應用情況的例子是符合中國通用標準充電器規范的 USB 充電，以及通過低成本、未調節墻上電源進行的充電。這些都可能會出現 10V 以上的臨時開路電壓，而且要求充電管理系統仍然充電至該閾值。這就給輸入和輸出保護電路提出了許多具體的要求。
在較高的電路板空間和成本限制條件下，保護解決方案的輸入需要經受盡可能高的電壓。它要在規定操作環境下通過電能，并在預計過壓保護閾值 （OVP） 以上阻擋電能，同時不損壞設備。在解決方案的最大絕對額定值以上，它需要中斷“開路”來避免潛在有害過電流進入系統。不管是電池供電還是直接由 AC 適配器供電，輸出都必須保證電壓電平不超出子系統的規范。通常，諸如電壓保護和處理的子系統均不能承受使用對過壓敏感的高性價、低壓工藝技術所帶來的高壓輸入瞬態。
從安全性和符合規范的角度來看，過電流保護和電流限制可能都是值得的，其目的是不超出上電時的浪涌電流極限或不超過最大 USB 電流規范。
圖 1 描述了一個單節鋰離子電池系統中充電器子系統輸入保護的兩種情況。在情況 A 中，充電功能主要由集成于一個低壓電源管理單元的軟件控制充電電路來實現。其通常為無線手持設備、GPS 導航系統或藍牙耳機的高集成芯片組的組成部分。這種情況下，一個單獨的過壓和過電流保護 IC 對于增加必要的保護功能是非常有意義的。
在情況 B 中，充電功能由一個專用獨立充電器 IC 來實現，它對電池充電和動態電源路徑控制進行管理，以保證系統正常工作——即使是使用有缺陷、完全放電的電池組或電池組被去掉的情況下。為了最少化充電控制相關軟件的開發工作，系統工程師可能會選擇這種配置。此外，設計人員可能還想要保護系統，以免受鎖定微控制器帶來的多余、潛在非安全充電行為的損害。在這種應用情況下，在充電器IC中集成過電壓保護和電流限制功能是有很合理的。
圖 1 輸入保護和充電管理的系統拓撲
情況 A：模擬基帶的系統保護
在模擬基帶所需集成度和成本水平給定的情況下，通常使用基于 CMOS 技術的 IC 工藝，其電壓承受范圍為 4.5 到 6 伏特 （V）。更低的半導體工藝電壓一般意味著片上電源組件更高的數字密度和更小的硅芯片尺寸，例如：晶體管和二極管。這便帶來更小的裸片尺寸和封裝，從而獲得更低的總系統成本。但是，其通常還伴隨著更高的過壓敏感度，從而產生電氣過應力。
這就是說，保護解決方案的輸出必須保證在任何輸入環境下都不超出這個電平，包括靜態 DC 操作電平和瞬態條件。理想情況下，它調節輸出到某個預設限制，同時在沒有損壞的情況下接受一個寬輸入范圍。在情況 A 中，假設基帶 IC 和其他子系統組件可以承受約 6V 的絕對最大電壓，例如：線性穩壓器 （LDO） 和 DC/DC 開關式電源轉換器等。因此，保護 IC 的輸出被調節到額定 5.5V，以容許瞬態響應時間帶來的調節容差。
該保護電路輸入兼顧 “正常使用”環境、充電時正常操作期間出現的可承受瞬態條件，以及系統需要徹底保護的異常瞬態。
通過 USB 電源充電在當今十分流行，其中，USB 2.0 規范規定額定 VBUS 工作電壓為 5V，最小電壓為 4.75V，而最大電壓為 5.25V。這些電源可能是符合 USB 規范的電腦 USB 端口或 USB 集線器。但是，它們也可以從一個調節過的 AC/DC 墻上適配器獲得電源，其“模仿”USB 端口的電源行為。這里的正常使用環境是指 5V 額定電壓。但是，新興的中國通用標準充電適配器規范打算簡化 USB 端口和適配器供電終端設備的電源使用，其要求在高達 6V 的 VBUS 電源瞬態期間也要不間斷充電，而該電壓超出了模擬基帶的額定電壓，并且會導致損壞。就這類應用而言，建議使用 5.85V 的輸入 OVP 電平，超出該電平保護電路便會切斷系統的電源。如果在該輸入 OVP 閾值以下，輸出就會被調節到安全的 5.5V。這就是說，達到 OVP 電平的運行是理想的，并被視作可接受的瞬態環境。OVP 電平以上的瞬態環境被視作異常，需要對系統進行隔離。假設系統工作在保護模式下。一流的集成保護電路可以承受高達 30V 的過壓，并能從這種狀態下恢復正常。超出這一電平時，可增加如齊納二級管等附加電路來對 30V 電平以上的 OVP IC 進行保護。
在未穩壓、低成本 AC/DC 墻上適配器的應用情況中，負載條件下額定適配器電壓可能規定為 5V。但是，由于這些低成本適配器的固有特性，無負載條件下在首次接入期間可能會出現高達 10V 的開路電壓，其會立刻毀壞低壓芯片組。在這種情況下，便會用到 10.5V OVP 閾值的保護電路，保護電路輸出穩壓到安全的 5.5V。根據不同的輸入電源，需要選擇具有合適 OVP 電平的正確解決方案。
圖 2 顯示了這類線性穩壓模式過壓保護解決方案的電壓保護情況。
0V 到欠壓鎖定 （UVLO） 電平（IC 工作電平）的輸入電壓情況下，保護電路的輸出保持在 0V。盡管輸入電壓低于調節電壓 VO（REG） ，但是 VUVLO 以上時輸出電壓會跟蹤輸入電壓低于保護電路的保護 FET 的 RDS，on 帶來的壓降。輸入電壓在 VO（REG） 和 VOVP 之間時（也即容許瞬態條件閾值），輸出被穩壓到 5.5V。如果輸入電壓上升至 VOVP 以上，則保護 FET Q1 被關閉，從而去除輸出電源。其響應必須迅速，FET 須在一微秒以內關閉。這種狀態通過一個 FAULT 信號發送至主機系統。當輸入電壓返回到 VOVP 減去滯后電壓 Vhys（OVP） 以下但仍然在 VUVLO 以上時，保護 FET 在一個 tON（OVP） 抗尖峰脈沖時間后再次開啟，以保證輸入電源已穩定。
解決方案的過電流保護 （OCP） 閾值可以通過一個電阻器來實現可編程，以達到易用性。如果負載電流要超出 IOCP 閾值，則器件在 tBLANK（OCP） 消隱期間對電流進行限制。如果負載電流在 tBLANK（OCP） 時間結束以前返回至 IOCP 以下，則該解決方案繼續工作。但是，如果過電流狀態持續處在 tBLANK（OCP） ，則 Q1 關閉一個 tREC（OCP） 的恢復時間段，同時發送一個故障信號。FET 在恢復時間以后再次開啟，并且電流再次受到全程監控。一旦 OCP 故障出現，內部計算器便遞增。如果一個充電周期內出現幾個 OCP 故障，則 FET 就會被永久關閉。通過取下并重新接通輸入電源或重啟器件，可以清零計算器。為了防止輸入電壓出現輸入線纜電感引起的尖峰上升，可以慢慢關閉 Q1，以實現一次“軟停機”。
也可以實施一種更嚴格的電池過壓保護，其對每個電池過壓事件均發送故障信號。
情況 B：綜合保護和充電功能
在一個單獨 IC 中考慮充電器功能的情況下，應該實施類似的過壓保護和電流限制功能，以保護系統免受 DC 電源線上過壓峰值的損害，同時允許使用低成本、未穩壓的墻上電源。充電 IC 還必須進行不超出子系統諸多限制的正確的輸出電壓穩壓。另外，充電器解決方案現在需要對許多功能進行管理，例如：USB 電流限制和電源路徑管理等，以保證符合標準和不違反所有工作條件的系統啟動。圖 3 顯示了一個具有集成 OVP 和輸入電流限制的 USB 標準充電實施。
當今的一些先進解決方案，能夠在同時、獨立地為電池充電期間也為系統供電。這就減少了電池的充放電周期數，實現了正確的充電終止，并使系統能夠運行在缺陷或無電池組的情況下，例如：生產測試環境等。它甚至還允許在電池完全放電的情況下即時開啟系統。輸入電流監控和限制是達到 USB 標準的關鍵。在許多應用情況中，對電池充電和運行系統的輸入電源可以是一個 AC/DC 適配器，也可以是一個 USB 端口。動態電源路徑管理 （DPPM） 在系統和電池充電之間共享電源電流，并在系統負載上升時自動減少充電電流。當通過 USB 端口充電時，如果輸入電壓降至防止 USB 端口崩潰的閾值以下，則基于輸入電壓的動態電源管理 （IDPM） 便減少輸入電流。當適配器無法提供峰值系統電流時，電源路徑架構還允許電池補償這類系統電流要求。我們的標準是使用恒流、恒壓 （CCCV） 充電方案和利用預充電和溫度達標的電池預調節。
輸入電壓保護
與單獨保護解決方案類似，充電器應防止出現高輸入電壓損壞。當輸入電壓高于 VOVP 的持續時間超過抗尖峰脈沖時間時，OVP 便關閉輸出穩壓，并中斷充電。在 OVP 時，系統輸出 （OUT） 被連接至電池，且充電器發送一個差輸入電源信號。一旦 OVP 條件消失，一個新的上電序列便開始，同時充電器被復位。
具有輸入電流限制和輸出穩壓功能的動態電源路徑管理
在一些具有電源路徑管理的系統中，充電器擁有為外部負載供電的輸出。這種系統不直接連接至電池，這是很重要的一點。只要電源連接至充電器輸入 （IN） 或電池輸入 （BAT），則該輸出便有效。
圖 3 帶動態電源路徑管理功能的線性、USB 標準充電器
通過連接如 AC/DC 適配器或 USB 端口等電源，DPPM 電路持續監控輸入電流。充電器輸出可被調節到 BAT 電壓以上 200mV。當 BAT 電壓降至 3.2V 以下時，OUT 被鉗位控制至 3.4V。這就允許即使是在電池放電的情況下也可以獲得正確的系統負載啟動。流入 IN 的電流在 OUT 下對電池充電并為系統供電。為了包括各種應用，充電電路需要具有 100mA （USB100） 和 500mA （USB500） 的可選電流限制以通過 USB 端口進行充電，同時還要有一個調節適應不同 AC/DC 適配器的電阻器可編程輸入電流限制。輸入電流限制選擇由 EN1 和 EN2 引腳的狀態來控制。使用電阻器可編程電流限制時，輸入電流限制由連接 ILIM 引腳到 VSS 的電阻器值設定。當連接 IN 電源時，優先考慮系統負載。DPPM 和電池補償模式均用于維持系統負載。圖 4 描述了 DPPM 和補償模式的例子。
圖 4 DPPM 和電池補償模式（VOREG = VBAT + 225mV，VBAT = 3.6V）
基于輸入電壓的 DPM （IDPM） 可用于電流限制 USB 端口運行。當 EN1 和 EN2 針對 USB 100 或 USB 500 模式配置時，輸入電壓得到監控。如果 VIN 降至某個特定的輸入電壓閾值，則減小輸入電流限制來阻止輸入電壓進一步降低。這樣做可以防止充電器電路破壞設計不當或錯誤配置的 USB 電源。當充電電流和系統負載電流的和超出由 EN1、EN2 和 ILIM 設定的最大輸入電流時，OUT 電壓就會下降。一旦 OUT 引腳的電壓降至 DPPM 閾值以下，充電電流就會隨著 OUT 電流增加而減小，以維持系統輸出。
當沒有電源連接至 IN 輸入時，OUT 完全通過電池驅動。該模式下，流入 OUT 的電流未得到調節。但是，需要開啟短路電路來防止系統過載充電器。
結論
鋰離子化學電池在消費類應用中的使用已為人們所熟知。許多充電解決方案已經不僅僅是對恒壓和恒流充電進行管理。當今的充電管理電路需要面對為數眾多的保護功能，從輸入過壓及過電流到電池過電壓。為了保證符合各種電源接口和充電標準，并實現電子設備在各種電池應用環境下的使用，擁有動態輸入管理和電源路徑管理功能是必需的。
