便攜式設(shè)備電池充電系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)方案

為便攜式產(chǎn)品的電池充電有幾種方式。以手機(jī)為例，我們可以利用墻式適配器或者其它充電設(shè)備充電，這種方式提供的電流可以達(dá)到2A，墻式適配器產(chǎn)生的高壓有可能達(dá)到30V；也可以通過USB線來進(jìn)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(dá)到20V；同時(shí)，我們也可以通過手機(jī)對(duì)附件進(jìn)行供電，比如調(diào)頻收發(fā)器等外部附件。加強(qiáng)充電、供電保護(hù)，使電池的安全性更高、可用時(shí)間更長、可用電壓更寬、充電時(shí)間更短、生命周期更長，是移動(dòng)設(shè)備發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

直流充電通道的保護(hù)（從墻式適配器到電池）

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

圖1 典型的充電電路示意圖

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

針對(duì)對(duì)直接充電，設(shè)想保護(hù)方案首先應(yīng)該解決浪涌電流效應(yīng)的問題，其次應(yīng)該解決正向和反向的過壓保護(hù)，這兩個(gè)保護(hù)功能是必須要有的。此外，還包括直接充電的過流保護(hù)以及電池電壓的監(jiān)測(cè)，這兩項(xiàng)保護(hù)功能是可選的。

浪涌電流效應(yīng)。由于寄生電感和輸入電容的影響，充電器在熱插入時(shí)可能產(chǎn)生高壓的振鈴，損害集成電路，此時(shí)我們需要控制保護(hù)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(fù)向過壓保護(hù)。由于AC-DC的瞬態(tài)、適配器故障或錯(cuò)誤，保護(hù)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(hù)源自墻式適配器的過壓保障，需要具備+28V的正向過壓保護(hù)以及-28V的反向過壓保護(hù)。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(shí)候，保護(hù)器件才能保持導(dǎo)通狀態(tài)。

直接充電通道的過流保護(hù)。如果直接充電通道出現(xiàn)過流的話，可能會(huì)損壞系統(tǒng)。但是過流保護(hù)特性應(yīng)該為可選的，主要是因?yàn)椋菏紫?，充電電路?nèi)的充電電阻會(huì)檢測(cè)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(huì)急劇的跌落。

電池電壓監(jiān)測(cè)。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(cè)功能，某些應(yīng)用甚至集成了兩個(gè)電池包的保護(hù)方案，而且充電電路也會(huì)監(jiān)測(cè)電池電壓，因此電池電壓監(jiān)測(cè)可以增加到設(shè)想的保護(hù)方案當(dāng)中。但由于在系統(tǒng)中已經(jīng)有多處提供了這種保護(hù)功能，因此該功能應(yīng)該是可選的。

綜上所述，設(shè)想保護(hù)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(shí)候，保護(hù)器件才應(yīng)該是導(dǎo)通的。如果出現(xiàn)過壓，保護(hù)器件應(yīng)該處于斷開狀態(tài)以保護(hù)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(shí)候?yàn)?28V，利用USB充電的時(shí)候?yàn)?20V。

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

4. 能夠?qū)擞侩娏鬟M(jìn)行控制。

5. 保護(hù)器件與充電IC應(yīng)該相互獨(dú)立。

如果具備了以上特性，直接充電通道將會(huì)得到良好的保護(hù)。

反向供電通道（從電池到附件）

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

電池放電。當(dāng)輸入電壓低于電池電壓時(shí)，應(yīng)該避免電池放電，因?yàn)榇藭r(shí)附件可能是沒有插入的。這時(shí)應(yīng)該采用背對(duì)背的解決方案，在Vin小于Vbat的時(shí)候，防止電池漏電。只有在檢測(cè)到附件時(shí)，才支持反向供電。

圖2 建議解決方案

反向過流保護(hù)功能。當(dāng)連接錯(cuò)誤的附件或有缺陷的附件的時(shí)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(cè)到反向電流，因此需要增加另外的模塊來檢測(cè)反向電流。

反向浪涌電流抑制。插入附件的時(shí)候，如果沒有電流保護(hù)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(cè)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(hù)。如果附件出現(xiàn)直接短路，可能會(huì)瞬時(shí)涌現(xiàn)源自電池的極高電流，所以保護(hù)器件應(yīng)該提供過流保護(hù)，而且可以通過外部電阻對(duì)電流進(jìn)行設(shè)置以適應(yīng)不同的系統(tǒng)要求。另外，保護(hù)器件應(yīng)該具有自動(dòng)恢復(fù)功能，即當(dāng)外部短路狀況消除之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地恢復(fù)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(huì)產(chǎn)生額外的損耗，影響到電池的可用電壓。

綜上所述，設(shè)想的保護(hù)方案（Box）應(yīng)該具備以下的特性：

1. 對(duì)于電池放電來講，應(yīng)該采用背對(duì)背的結(jié)構(gòu)，防止電池漏電。

2. 應(yīng)該具備反向過流保護(hù)功能。

3. 應(yīng)該對(duì)反向浪涌電流進(jìn)行控制。

4. 應(yīng)該對(duì)反向供電通道的短路進(jìn)行保護(hù)。

5. 導(dǎo)通電阻應(yīng)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(hù)。

因此，我們建議的解決方案的架構(gòu)是：具有背對(duì)背的N-MOSFET、具備正向和反向的過壓保護(hù)以及反向過流保護(hù)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(xì)節(jié)

圖3所示為集成解決方案的細(xì)節(jié)框圖，由于采用的是背對(duì)背的N-MOS結(jié)構(gòu)，通過第一個(gè)N-MOS（標(biāo)識(shí)1）的門極，可以防止浪涌電流進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，同時(shí)這個(gè)N-MOS也提供正向的過壓保護(hù)。

圖3 集成解決方案

圖4 安森美OVP產(chǎn)品系列

背對(duì)背N-MOS結(jié)構(gòu)的另一個(gè)N-MOS（標(biāo)識(shí)2）提供-28V的過壓保護(hù)。之前采用的一般是P-MOS，但相對(duì)于P-MOS，N-MOS的導(dǎo)通電阻更低，使電池能夠工作在更低電壓下。同時(shí)N-MOS支持更大的電流，而且這個(gè)N-MOS還通過檢測(cè)電流來控制反向通道的浪涌電流，提供反向過流保護(hù)。

此外，方案還應(yīng)提供過流保護(hù)（標(biāo)識(shí)3），并且過流保護(hù)的電流值可以通過外部電阻設(shè)定。同時(shí)集成方案還要提供狀態(tài)標(biāo)記引腳（標(biāo)識(shí)4）以及邏輯控制引腳（標(biāo)識(shí)5），并控制芯片的工作模式。